【汽车与环境】中国工程院院士苏万华：高效率压燃汽油技术

2018年12月7日-8日，以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨，旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台，通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系，助力实现向汽车强国的转变。以下是天津大学机械工程学院教授、内燃机动力工程专家、中国工程院院士苏万华在本次论坛上的发言：

天津大学机械工程学院教授，内燃机动力工程专家，中国工程院院士 苏万华

各位专家下午好，下面由我汇报一下我们的工作和想法。首先，我要谈谈“基于全生命周期的CO2和有害产物排放分析”是内燃机、燃料以及各种动力装置优越性的重要评价标准。这个工作是所有的动力装置先进性和技术方向最重要的评价标准。我们关心二氧化碳排放，二氧化碳减排被称为人类保护自身存在条件的行动。从我们汽车行业来说，如果要降低二氧化碳排放，首先要提高内燃机的效率。而且二氧化碳的排放应该是考虑全生命周期的，不仅是考虑燃料的全生命周期的二氧化碳的排放，而且还应该考虑多维的二氧化碳的排放和其他有害成分的排放。这里面包括每一个零部件，比如螺丝钉，螺丝钉的制造过程从采矿开始，从铁矿的冶炼、炼钢、制造等等，全过程都有二氧化碳的排放。二氧化碳排放的多少，应该把整个车辆二氧化碳排放的总和算在一起，在这种情况下，二氧化碳少，我们才能叫做绿色的，或者碳中性的，或者低碳排放。我今天讲的问题就出于二氧化碳减排的目标，如何解决内燃机的二氧化碳排放问题。

讲这样几个问题，我讲的比较具体，主要讲一种高效压燃式汽油G-HCCI均质燃烧发动机，这个发动机我们从中载车发动机技术发展的需要出发。为此，要讲一讲为什么当前关心中载车辆或者轻载车发动机，然后讲讲我们开发的思路，最后是试验和理论研究的结果。

中载商用车发动机有特殊性，行驶里程一般低于重载车，载货量低于重载车，主要运行在城市和近郊，变工况和低工况运行变化剧烈，瞬态工况燃油特性的要求高，实际道路（RDE）排放控制难度大，再加上柴油机排放的原因，在很多城市里应用受到限制，非常需要开发一种新的适合中载或者轻载商用车的发动机。

首先讲必要性，这张图给的是汽油和柴油比例关系的发展统计。由于柴油机具有油耗低的特点，从2005年开始，柴油的比例占柴汽比的比例逐年在增加，这个比例远远超出了石化工业炼制柴油、汽油的正常比例。实际上现在石化公司他们都要采取很多特殊的措施来加大重油的比例，从长远的发展来看，重油会受到限制。现在就很需要开发一种汽油机取代一部分柴油机，所以在中载或者轻载卡车上，发展汽油发动机非常重要。但是在城市运行工况，经常运行在很低的工况，而在低负荷运行时各种损失，包括排气损失，散热损失，摩擦损失等都显著增加，有人统计在人口非常密集的区域，汽油机的平均运行效率只有25%。所以我们提出增程式汽油机的想法，它有利于汽柴油比例平衡，有利于中载车走进城市，充分发挥压燃式汽油G-_HCCI发动机高效率的优势。

我们开发的是一种均质压燃汽油G-HCCI燃烧系统，在柴油机的基础上改造，可以获得高于50% 的热效率。

在过去，大家已经做了很多的研究，很多专家也了解， HCCI汽油机比普通汽油机的效率增加很多。我们现在做的G-HCCI发动机和以往的有所不同，这个叫做高强化的汽油HCCI发动机，在增压柴油机发动机的基础上做的。它特别适合用于增程式的混合动力系统。

说一下我们开发的思路，我们的开发思路首先要研究一下，在什么情况下我们可以获得内燃机的高热效率？这比较理论一点，实际上燃烧过程是在一定的热力学的状态下完成的。所以热力学的状态对燃烧过程的效率是至关重要的，我们首先研究了燃烧学、热力学的状态，在什么情况下有利于提高热效率，什么情况下不利于提高。我选择了6个工况点，第一个是典型的自然吸气汽油机的燃烧过程的热力学状态。燃烧过程自身是有损失的。前面图里讲过的的都是燃烧过程之外的发动机的损失，包括排气损失、散热损失、机械摩擦损失等，而这张图说的是燃烧过程的化学能的损失，是燃烧过程的损失，它的损失可以达到33%左右，损失很大。如果采用稀燃，当量比降低到0.6左右，损失就降低到24%，如果进一步采用增压技术，或者采用提高压缩比的办法，提高燃烧过程初始压力，燃烧过程损失（如图所示）进一步降低到20%以内，如果我们采用斯坦福大学做过的研究，我们使燃烧的热力学状态相当于压缩比等于100的情况，它的化学能损失可以降低在16%左右。

我们把我们所研究过的6种热力学参数代入到做功方程里面，这个方程相当准确。我们可以计算出热力学的效率，由热力学的效率可以看出来，工况1，一种普通的自然吸气汽油机，压缩比等于10，这个过程理论上热效率不会超过40%，就是在37%、36%。如果采用稀燃热效率增加到40% 以上，进一步的采用增压，提高压缩比，特别像斯坦福所作的，把压缩比提高到100，此时的热力学状态使热效率达到68%，所以这是非常有意义的启发。我们根据这个启发，想到如果为了提高热效率，我们先不考虑燃烧相位、燃烧粗暴程度和速率的控制，内燃机的热功转换最大效率可以达到68%以上。

这是我们进行试验研究的装置，在柴油机的基础上改造，柴油机我们改成了气口汽油喷射，进气的过程通过外源增压，改变进气的压力，排气系统包括废气再循环系统，可以看出这个新型汽油机结构很简单，造价很低。

在实际的发动机燃烧过程中有很多问题需要解决，不详细说，燃烧过程的控制是非常复杂的事。最主要的是控制燃烧相位和燃烧速率。比如说初始燃烧压力和当量比，这张图，是进气压力高，当量比过低，它一方面可以提高比热比γ，理论上可以提高热效率；另一方面，当量比过低使充量的化学活性过低，着火滞后，燃烧速率低，最终热效率低。实际上，在我们G-HCCI燃烧过程中，比热比并不是影响热效率的重要因素。而当量比是影响热效率的重要因素。

另一个重要的影响因素是废气再循环率（EGR）， EGR的运用要求很高，EGR也可以改变当量比，但EGR在燃烧过程中的作用概括的说是降低充量的化学活性。这张图是说点火过程和燃烧速率的控制，着火和燃烧速率既受当量比的影响，也受EGR的影响。在高当量比的时候，有很高的燃烧速度，增加EGR率会使得燃烧速度迅速减低。总之，汽油压燃G-HCCI燃烧过程是通过负荷、当量比和EGR的协同控制实现的。我们必须协同控制，使得燃烧速率满足我们的要求，它应该是不能过高，过高会造成粗暴，也不能过低，过低会降低燃烧的效率。

这张图是一个总的试验结果，我们可以看出来，在平均有效压力 7.8以上，热效率始终高于51%，这里面压缩比也起很重要的作用。我们常规的压缩比8点几、10点几的时候，我们可以获得最好的热效率。随着负荷的增加，增压的压力不断提高，EGR率也提高，当量比也相应提高。但是到了一定的点，出现一个热效率的拐点。这个拐点给我们一个很大的启发，为什么在这里会出现一个拐点，而不是继续再提高热效率呢？主要因为在这一点上我们受到了最大爆发压力的限制，这时候由于最大爆发压力的原因，我们不能够再继续增加增压的压力，所以它的当量比随负荷提高迅速增加，为了控制燃烧速率，只好增加EGR，使得燃烧过程恶化，燃烧速率降低。显然，最大爆发压力是进一步提高热效率的障碍。为此，我们进一步进行了提高增压压力的研究。观察进一步的提高增压压力对热效率的影响，由于实验发动机的爆压较低，我们提出了一个“低㶲损失热力学参数超高热效率，G-HCCI发动机模型”，使我们可以研究持续提高增压压力G-HCCI发动机的特性。这个模型建立在一个实际柴油机基础上，不同的是这里面我们增加了一个可变压缩比的环节，有了这样的环节，可变压缩比是通过气门关闭的变化来实现的，由于它的存在，就使得低压循环的输出参数，增压的压力和温度不是直接影响燃烧过程的压力和温度，这是由于可变压缩比的调整。在这个研究过程当中，增压的压力可以不断的提高，但是我们保持Tb，就是增压输出温度保持在323K。另外我们保持膨胀比不变，在经过优化以后，保持15：1。这样就变成了高低压两个系统，这两个系统可以做到非常好的能量平衡，膨胀废气的能量正好可以被增压器吸收，提供给压缩功。这个发动机模型是通过多区燃烧过程模型和详细化学动力学模型的结合，在计算机上运行的。

看看结果，在这里可以看到，我们把增压压力从原来实际发动机2.5bar左右，继续提高一直到9个bar，它的最大爆压压力是线性增加，输出的负荷也几乎是线性增加。这过程当中，热效率前段是线性增加的，到了增压压力大于6 bar之后增长的速率变缓。从3 bar到9 bar增加增压压力的情况下，散热损失从15% 降低至5%左右，所有参数的优化结果很接近理论的低㶲损失范围。

最后结果，如果增压压力等于3 bar，最大爆压等于22Mpa，指示热效率ITEg等于54.8%，散热Q等于12.5%，有效热效率BTE大于51%。我们认为发动机在3和4bar压力下比较合理。如果我们采用绝热的措施，有效压力可以大于63.9%，做到美国汽车理事会提出来的内燃机有效热效率达到60%的指标。

我们在这个燃烧过程中温度始终保持在2000K度，这个结果使得我们很有效的控制氮氧化物（NOx）的生成。在控制氮氧化物排放量的条件下，不绝热可以达到大于51%的有效热效率，如果绝热，有效热效率大于63.9%的结果，所以是非常有前景的。

我们提出的G-_HCCI燃烧过程，归结为负荷-过量空气系数-EGR（LLE）协同控制，这是核心技术。还有一个非常重要的技术是可变压缩比，但是在在一定的应用场合，常常可以通过优化采用固定的平均压缩比，我们提出的这个压燃G-_HCCI汽油机结构简单，成本很低，所以我们将继续相关研究和应用工作。

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