【汽车与环境】同济大学教授韩志玉：汽车动力变革中的内燃机发展

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。以下是同济大学汽车学院教授韩志玉在本次论坛上的发言：

同济大学汽车学院教授 韩志玉

我今天要分享的内容是汽车动力变革中的内燃机发展。这是题目，下面有一串英文，发动机从SOLO到DUO，就是结论，下面详细讲解。我想分三个部分来讲，一个是近三十年车用汽油机技术和产品的进步，这三十年是我经历的三十年，第二是近二十年汽车动力多元化变革发展，最后是谈谈变革中的内燃机发展。

什么是内燃机的最基本点？前面很多专家都讲了，如果你对发动机没有太多了解的话，会觉得眼花缭乱。一会儿VGT、一会儿可变流量、一会儿燃烧等等。我这个图试图回答什么叫内燃机，或者内燃机的基本点。内燃机基本上就是一路燃料进来，一路空气进来，不幸的是空气里面有氮气，如果没有氮气的话我们很多事情就很方便了。燃料和空气进到一个空间里面，经过了燃烧过程，就出来了四个东西：一个是动力，这是我们需要的，一个是水和没有参加反应的氮气，这些是好东西无害，还有两个有害的东西，一个是一氧化碳、碳氢、NOx和颗粒，还有一个是二氧化碳。

那么发动机怎么做？第一、最大程度提高动力输出和燃料输入的比，这是第一个概念；第二、依法减少有害排放物，我讲的是依法，如果没有法律都不会去减少排放的，因为要花钱；第三、就是二氧化碳，二氧化碳这个东西很有意思，虽然我们讲要减少二氧化碳，但是目前为止中国没有一条法规说你要减少二氧化碳，只不过二氧化碳现在是伴随着油耗的减少而减少。

围绕以上三点出来了各种各样的技术，眼花缭乱。这是2001年我当时在福特工作的时候，在中国做的一些介绍，而这个是比较新的，技术手段基本一样，内容很多，我们来理理。

第一是处理油的技术，就是要想办法供油越来越接近缸内，上世纪八十年代到上世纪末，从化油器到气道喷射然后到直喷，让供油变得越来越精确。那么气怎么干？你看这么多技术都是处理气的，2气门到4气门，然后到VVT到VVL到涡轮增压，所有这些都是在研究想办法把气供好。就这一点来说，就是让它多进气，举个例子，我们想让听众一分钟之内进来，要么把门扩大，要么往里推，增压。当然还有一些比较细的东西，加强湍流、降低泵气损失等等，但是核心还是要多进气，这样可以提高动力性。所以要把油处理好、把气处理好。

下面就是怎么样燃烧。燃烧之前先讲一下由于气和油的技术变化，促进了我们整机技术的变化。首先国外品牌我做了一个统计，还有中国自主品牌，都是首家量产上市的，1967年大众汽车是首个上市的PFI，1979年宝马2.0T用了增压的PFI，到了2000年大众汽车增压DI。中国2000年的时候PFI批量上市，2009年奇瑞汽车PFI增压瑞虎5上市，2010年瑞琪直喷增压上市。在直喷增压这个方面来看，中国比国外大概差了十年。把气搞好了、油搞好了，然后新的整机技术上市。

下面来看看动力性、经济性、排放的发展。动力性有怎么样的变化？我找了一个数据，美国沃德十佳发动机和中国芯十佳发动机，我们提取了4缸汽油机数据进行比较。在美国从1995年开始，到2017年增压发动机大概升功率从60千瓦一直上升到平均到100，最高到了136，从60到100，提高了66%，这个进步是非常惊人的。在中国来看，从2006年到现在，大概我们的升功率提高到了80千瓦左右，跟国外的平均水平差了20%。还有一个非常有意思的现象，大家看到这就是混合动力专用的自然吸气发动机，基本上不增压，这是国外的，我们国内还没有一款专门的混动发动机。    

再来看看经济性，发动机热效率的数据是比较难找的。一般公司都告诉你我整车油耗是多少，很少告诉你我热效率是多少。我发现在2015年的时候丰田发表了一组数据，我认为这个数据是他们丰田汽车本身的数据，但可以代表行业情况。可以看到从1980年，这之前都是化油器的，效率都是30%左右。从这开始有PFI，到后面DI，这个大概33%左右。有了DI以后，效率到了35%左右。这几个棕色的点点，就是他们的混合动力专用发动机的。它发表2010年的时候38%左右，现在我们知道它最高的是41%。从30%几到40%，热效率绝对值提高了8%左右，相对而言提高幅度为20%左右。也就是说，这么多年，内燃机在动力性方面，至少提高了60%以上，热效率相对至少提高了20%以上，在过去三十年，这个进步是很大的。

那么从整车油耗来讲，我们国家通过法规来限制整车的油耗，这里列了第一、第二、第三、第四阶段，随着车重的油耗变化，大家看到下降幅度是比较大的。但是我告诉大家一个统计值，这是工信部网站可以看到的，从2012到2017年，整车平均油耗降低了18.9%。但是有一个问题，同期车重增加了107公斤，大概就是0.5升油。所以可以看到在这上面也是进步很大，

从排放上讲，我们离不开排放。我们做了一个图，就是轻型车氮氧化物和NOx和CO、HC把他们放在两个轴上，今天上午有一个专家问排放到底什么时候是个底，要降到什么时候，到这里实际上这个排出来的气比吸进来的气都要清洁。    

在研究手段上，近些年来各种手段的发展是层出不穷，但是我总结了一下主要应该是一件事，即缸内过程可视化。大家还记得第一个图，一个黑盒子，内燃机以前燃烧是看不见的，所以你才用燃烧这个词。因为你看不见，所以你叫燃烧，实际上里面发生了什么不清楚不知道。那么人们就想办法要看见它，两个手段。第一个用复杂的计算流体力学，就是让汽油机内部可视化，这是用计算流体力学。还有一个就是光学发动机，前段时间有幸到了上汽，我看了他们的光学发动机，给我的印象非常深。因为2004年我离开福特的时候，当时福特的光学发动机，转速最高达到2000转，受力只能到四个bar。这次到了上汽，他们告诉我他们的光学发动机可以到三千转，最高可以到14个bar。所以上汽让我非常震惊，在研究手段上取得了很大的进步。

前面近三十年汽油机技术和产品的进步，大家要记住过去三十年整车和发动机的这些工程师们，他们第一把同一个发动机的动力提升66%以上，第二让热效率提高20%以上，第三把排放呈数量级往下减。但是不幸的事情发生了，虽然他们努力工作，在上世纪末出现了汽车多元化产品。这是1997年我开的车，是一个福特的车。它大概在1500公斤左右，用了3.5升的发动机，油耗大概是10升/百公里。从这里开始出现四个东西，第一个是油电混合的，1997年丰田的Prius车上市，2009年第三代1395公斤，1.8升发动机。还有纯电动车，我用了特斯拉，2008年Roadster上市，2017年总共交付了十万台车。还有一个2016年丰田Mirai上市，这是燃油电池。可以看见，从上世纪末发展节能燃油车的同时，已经出现了油电混合、纯电动、氢燃料电池。

那么，多元化的未来是什么样？我找了三个数据，一个是全球的、美国的和中国的。这个是国际能源署的报告，这个图是2010年，它预测到2050年不同的动力组成的分布情况。但是我刚刚看到的也是国际能源署刚刚发布的电动车展望，它给了几个数据，就是这个红点点。它预测在2020年全球轻型车的电动车销量，就是纯电动和插电混合动力达到390万，占当年销量的3%。同时进一步预测，到2030年这两个车加起来的产量到2100万辆，占全球汽车新车销量的13%。也就是说到2030年全球新车销量至少87%的车有一个内燃机！    

我们来看看美国，我取一个MIT教授的数据，我认为比较中性。这个教授做了一个预测，在美国市场上到 2030年大概有96%的销售车辆需要一个发动机，到了2050年大概90%需要一个内燃机。

中国的数据也是很多，我选了一个半官方的数据，中国汽车工程学会做了一个节能与新能源技术路线图，2020和2030年。2020年就不讲了，他们认为2030年的新车销量大概在3800万辆，大概有100万辆的氢燃料电池车，注意那不是当年的产量，是累计有一百万在运行，所以3800万辆里面没有包括这一百万辆。那么40%是纯电动和插电式混合动力，这一段是混合动力，这是代用燃料，这是传统汽车。这三个加起来，再加上20%的PHEV，大概就是60%到80%需要内燃机。从上面可以看到，内燃机生命力旺盛，不可缺少！

大家已经讲了这个是预测，那么为什么不更乐观地预测这个问题？为什么电动车就起不来？我认为核心问题还是电池，电池电池电池，重要事情说三遍。电池什么问题？能量密度太低。这是瑞士理工教授的数据，这是锂电池能量密度，那是压缩天然气、那是汽油和柴油能量密度，大家一看差数量级。现在的能量密度是油的十分之一，未来会怎么样？可能有些博士讲，我们未来的电池就会很轻。我们来看看国家的预测，一般预测比实际情况都要乐观，我们看看乐观的数据，我们刚才是在这个位置，2015年能量密度，大概是0.18。按照乐观的估计，到2030年才到0.35。你把0.35摆过来，就只是增加这么一点点，你跟汽油和柴油仍然无法比较。这就是为什么2030年你无法取代以燃油或者以燃油辅助的汽车。电池！电池！电池！太重，能量密度太小。

现在讲讲变革中的内燃机发展，前面已经讲了内燃机生命力旺盛，不管怎么样大部分汽车都有个内燃机。我不是一个坚定的内燃机主义者，我是一个坚定的多元化主义者。变革中的内燃机怎么变？第一变比较好变，就是利用现有发动机的高效，混动系统应用发动机的高效率区域，扬长避短。第二就要提高发动机热效率了。我们现在的发动机热效率大概是在35%到37%。第一步提高混动专用发动机热效率到42%，相对值提高13.5%，绝对值提高5%。第二步我认为就要花力气，绝对值再提高3%，让热效率达到45%，这个难度是很大的。这就是内燃机的第二个机会，一定要提高发动机的热效率。

怎么提高？采取不同的手段。现在这个东西万变不离其宗，这是历史的经验，未来还有一些新的东西。比如说HCCI，这个道理我不讲了。它给我们带来一个好处，这是一个福特以前的数据，在这个部分负荷下可以把油耗降低46%。这是马自达的一个曲线，它可以从一个老的马自达的油耗从这降到这里，最近它给出绝对值，据称能达到48.6%。

最后还有低碳燃料的问题，只有采取低碳燃料才能更好的控制二氧化碳，比如天然气，电动车是控制不了二氧化碳总量的，是未来可以控制，未来不知道是什么时候。举个例子，这是某公司一个投产的天然气车，降低了27.4%的二氧化碳排放。第二个例子，这是奥迪A4去年的一个天然气车，二氧化碳只有95克。

那么汽油机大于45%的机会在什么地方？这里列出了2018年世界内燃机大会上给出的汽车公司预研的发动机热效率数据，丰田汽车45.9%，马自达汽车48.6%，某民族品牌40.8%，大家可以看差距。这里给出了一些技术手段，我认为这些技术手段，我们在座的优秀工程师和专家们肯定会想办法应用，但是我们现在只有40.8%，距离已经在这里摆着了。

最后跟大家谈谈我的结论，第一、车用内燃机在过去30年有了很大的技术进步，在未来30年仍然起到关键作用，因为至少60%以上的车需要内燃机，内燃机生命力旺盛。第二、车用动力将向多形式发展，将根据地域形成油、电、气的多元结构。而且我还告诉大家，未来汽车产品的主要竞争仍然集中在动力总成上，并不是什么智能化、网联化，这个大家都会搞而且很快会拉平。内燃机发生什么变化？第一它的地位将从独唱变成二重唱，from Solo to Duo。汽车从单一内燃机驱动变为内燃机加电机驱动，这就是二重唱。第二热效率将有大幅度提高，你再不提高热效率人家就把你干掉了。第三个混动专用发动机由于运行范围变窄，为进一步优化发动机热效率和降低成本带来机会。第四、天然气是一个现实的低碳技术等等。最后很重要，内燃机在整车性能上起到的关键作用将下降，它将从核心零部件变成关键零部件。以前每个车厂把大量的技术竞争放在内燃机上，以后会发生变化，随之而来它的商业模式也会发生变化。

谢谢大家！

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