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【汽车与环境】中国一汽李金成:内燃机的挑战和机会

盖世直播 2019-09-22 08:20:52
核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛现场嘉宾演讲实录,敬请关注!

9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办,论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为中国一汽研发总院首席专家李金成演讲内容实录:

汽车与环境,中国一汽,内燃机

中国一汽研发总院首席专家李金成

非常高兴有这个机会给大家分享一下我们最近做的一些工作,讲一下内燃机的2025年挑战与机会到底是什么?主要讲三个方面的内容,一个是内燃机的挑战和在挑战下新的使命应该是什么样的?第二部分就是面临这些挑战有什么样的机会,未来有什么样的发展趋势?第三方面是总结和展望。

首先是挑战与使命。今年的高温假到北欧旅行了一下,顺便做了一个环境之旅,因为正好赶上了一个青年学生和环保者在奥斯陆诺贝尔和平中心做的一个环保宣传。其实当时我看了这几个图片以后,马上就感觉作为内燃机工程师,这就是我应该关注的问题。我们整个行业,内燃机行业大家都是有这种心态的,但是不知道新能源同事,电动车有没有这种心态?是不是看到这个东西认为电动车排碳也比较高?也面临环境的挑战。环境问题在整个世界范围之内肯定是大众普遍关注的焦点,也是我们内燃机面临的最大的挑战之一。

这个标语特别好“我们没有第二个地球”,在硬纸版上写的很环保。

第二个挑战是碳排放和《巴黎协定》,这个大家都很清楚了,巴黎协定2015年12月12日通过,2016年生效,195个国家签订,目前只有特朗普同志宣布退出,所以大家还是坚定地留在《巴黎协定》之内。根据这个协定在本世纪全球气温上升较工业化前必须控制在2度以内,并为1.5度努力,二氧化碳排放分别比2017年降低25%和55%。2018年中国碳排放92亿吨,2030年碳排放达到峰值,单位GDP碳排放在2005年基础上降低60%-65%。为什么讲单位GDP碳排放?其实这是考虑成本的,不然是不符合单位GDP碳排放的原则,这也是我们高效内燃机的优势所在。

从满足碳排放的角度来看,用油耗来评价不是最佳的方案,用油井到车轮的二氧化碳排放是最合理的,我们整个行业以后应该推动这个方案往前发展。

第二大挑战就是能源安全,特别是我们中国更面临能源安全的问题。这两天沙特的油田被攻击以后油价马上反应了。有记者问我们有关部门是不是要启动石油战略储备了?所以能源安全问题是我们不可回避的问题,并且是日益凸显的问题,也是内燃机面临的第二大挑战,因为确实内燃机消耗的原油占整个原油进口的很大一部分。

说到能源安全肯定要提到油耗法规,大家都知道2020-2025年从5升到4升降低20%,2030年有可能是到3.2升,正在征求意见中的新油耗法规的准入门槛值已经比四阶段放宽了,按照新的准入门槛1415公斤的整车做到大概9升左右就可以卖车了。

大家想想,这个绝对不是我们内燃机的福音,虽然限值放宽了,但如果我们发动机按照这样做就等于自杀,内燃机的同仁们一定特别关注这一点,不能把这个看作内燃机的福音。

第三个方面的挑战就是排放法规的挑战,上午葛老师在的时候也讨论很多了,虽然我们发动机的排放过去几十年已经是降了几百倍,至少100倍是可以的,特别是国6B以后排放法规已经是世界上最严格的了,但是我们汽车的排放污染仍然是作为重要的大气污染源之一,这是不可回避的一个事实,而且上午给葛老师说,国7后面大家肯定还是要面对,这个也是我们将来肯定要面对的一个挑战。

2023年以后排放法规到RDE更加的严峻,由循环工况向全工况扩展了,这个对大家来说都是挑战,所以说在未来如何实现排放对环境零影响是乘用车发动机面临的第三大挑战,肯定不能回避这个问题,如果不把排放进一步做好,受新能源等各方面的影响肯定会更大。

第四方面的挑战是电动化的挑战。这个是我在北欧的街头,奥斯陆、斯德哥尔摩这几个国家首都看到的很常见的景象,几个特斯拉一串排着,所以电动化的趋势不可阻挡,至少是未来的一个发展方向,特别是因为现在电动车在使用阶段的排放被认为是0,所以没有办法,无论是在国内还是在国外,电动化已经成为解决环境问题的重要手段,内燃机必须接受这个挑战。电动车排放算0不一定合理,但是现实就是这样,这方面的问题还是要面对的。

其实电动化的挑战不是仅仅在街上看到几台特斯拉车的挑战,更大的挑战还是来源于各个品牌,包括传统车品牌,包括豪华品牌、合资品牌,自主品牌,大家都纷纷推出电动化的战略,包括奔驰、宝马、奥迪、捷豹路虎、大众、北京现代、福特,吉利、上汽等等自主品牌大家都在这样做。在油耗排放法规、能源安全多重的压力大,大家都在确立电动化的战略方向,所以说电动化是传统内燃机汽车必须要面对的第四大挑战,但是电动化有时候会被误读,电动化不意味着纯电化,但是经常会被误解,可能会对我们内燃机有非常大的影响。

我们也做了一些统计,几大品牌,包括纯电新能源的品牌,包括传统品牌在2018-2025年准备要发布的一些车型的数量,大家看看蓝色的这部分,新发布的大部分都是新能源车,传统车也有,相对要少很多,但是未来是不是这样不清楚,但是大家都是这么发布的。

第五大挑战,我认为是用户需求的挑战,其实我们过去包括现在都会犯一种错误,什么错误呢?我们考虑法规的东西太多了,包括排放法规、油耗法规等等,关注法规太多,但是关注用户比较少,这是一个国内的软件,他们统计的实际的整车油耗和工况油耗的差别,我们可以看一下,2008年,AT的实际驾驶油耗比工况油耗高17%-18%,2017年这个数值超过30%,这些年以来虽然法规油耗在不断的下降,但是用户感知的并不是很多,在用户那里油耗其实没有下降多少,开起车来,虽然比起来省点油,但是没有省那么多,所以这个是我们内燃机未来要面对的问题,我们必须要让用户实际感受到真的省油了。

还有一个用户的挑战就是动力性,我们评价整车的时候经常用0-100公里评价动力性,但是我们大家开车的时候都知道,没有人这么开车,我相信在座的各位除了你试车的时候有机会,平常没有机会那么开车,大家可能更关注的0-60公里加速时间怎么样,在市区开的时候加速时间怎么样?但是在发动机电动化以后面临一个问题,混动化的发动机功率密度在下降,即使在和电动化结合以后,如果混动构型不好动力性可能会受影响,所以我们在不断地降油耗的同时怎么持续的关注用户的感受?特别是动力性这方面的感受也是我们需要面临的挑战。

第六方面是我们现在内燃机真正面临的挑战,生态的挑战,前面讲了很多了都是技术的问题,但实际上更严重的是生态问题,说严重一点是一个生存环境的挑战,比如说现在双积分、电动化、油耗法规、燃料电池、自动驾驶等等,内燃机面临的挑战是非常多的,包括大家都很熟悉的内燃机禁售时间表,这个经常被误读。其实禁售的是传统内燃机,根本不是禁止所有内燃机,我们专业人士理解,但普通人不理解。这两天戴姆勒辟谣了不会停止研发内燃机,但是我相信这种故事以后还会有人讲。

还有内燃机人才断层问题,去年清华大学教授招不到内燃机博士生,包括现在很多内燃机领域的研究生也愿意到新能源领域去,所以现在生态的挑战对我们的影响非常大,包括再说大一点,可能企业在内燃机方面的投资也是受影响的,现在大家能感觉到,新能源的资本的力量是非常强大的,我觉得资本的力量在后面起了很大的作用。

面临这些挑战应该怎么办?在新的历史背景下,我们应该重新梳理一下内燃机的使命,用创新引领挑战,用创新担当使命是我们产业发展的当务之急,现在大家都学习初心使命教育,没有白学,我们内燃机的使命也要重新梳理一下。比如说低碳排放能否通过45%、50%的热效率实现和电动车匹敌的低碳排放。我们是否能够实现有害气体排放对环境零影响或者近零排放。还有能源安全的问题,能否开发出基于清洁氢能等碳中性燃料发动机满足未来的需求?另外是我们给用户承担的使命,包括具有竞争力的TCO成本,这个是用户最关心的,而且也是我们传统内燃机最大的优势所在。另外是驾驶乐趣,不能因为排放法规和油耗法规因为电动化牺牲用户的驾驶乐趣,这些都是我们未来技术发展中应该关注的问题。

第二大部分给大家分享一下机会与趋势,这个分享是一个探讨性的,不是产品的东西,但是有可能是未来的发展方向,大家可以一起探讨一下。

第一个机会是持续提升燃烧效率,高效燃烧技术能够实现和电动车匹敌的碳排放,比如说柴油机,欧洲柴油机的碳排放在包括从油井到油箱,从油箱到车轮,加起来大概是170多一点,燃料电池如果是甲烷重整的话大概71克,这个碳排放还是比较高的,但是如果说是用清洁电制氢的燃料电池就是23克碳。对于纯电动车,和刚刚沈总的计算差不多,如果一个是A级车,每公里105克碳左右,但是如果说是也是清洁电碳排放会很低。

我们再看看发动机怎么样?如果发动机实现了五阶段油耗目标,4升油耗情况下考虑燃油生产环节的碳排放也就是120多克的碳,和105克比高不了太多,未来如果我们能够把发动机热效率提上来还是能够实现和电动车碳排放的竞争,虽然略微高一点,但是我们通过电动化等措施碳排放还是可以得到控制的。

高效燃烧要探讨一下45%和50%的热效率的必要性,这个又要回到碳排放了,中国火电的应用比到2025、2030年火力发电占比分别下降到63%、58%,综合发电的碳排放,每度电预计到2030年是556克,2025年是600克左右,如果我们想要到2025年,2030年实现和电动车相匹敌的碳排放水平,我们看就是热效率分别要到45%和50%左右,这样的话才能实现基本上和电动车相匹敌。

大概做了碳排放的比较,这个是从油箱到车轮的,在不同的年份,绿色纯电,蓝色的是内燃机的,内燃机虽然是到45%和50%的热效率比纯电的还是要高一些,但是我们也考虑了纯电每度电的碳排放一直在下降,但是差距没有那么太大,一直在缩小。而且可以看一下成本的事儿,具体的成本的数值没有列,但是我们可以看看趋势。即使到2025年和2030年我们算综合成本,按碳算成本,当然我们要考虑一些混动的应用,内燃机考虑混动的成本还是比纯电动的低,所以我们整个内燃机的TCO成本非常有竞争力的,这个就是我为什么讲按单位GDP降碳排放的合理性。

谈到高效燃烧,我们要讲一下稀薄燃烧。我们认为稀薄燃烧未来是实现高效燃烧的必由之路,如果想到45%或者是50%,如果没有稀薄燃烧确实非常非常的困难,当然光稀薄燃烧还不够,还要加上其他的东西,包括高效增压、高压缩比等等等等,加上这些技术可以实现45%的热效率。

当然稀薄燃烧有很多的问题要解决,特别是点火能量的问题,如果点火能量不足,稀薄燃烧基本不可能实现,或者是实现难度非常非常大,因为点火能量不足,稀薄燃烧的燃烧持续期很难达到15度以内,非常长而且燃烧非常不稳定,热效率是达不到预期的要求,所以如果想实现45%的热效率必须要提高点火能量,而且高的点火能量也是提高EGR率的必要的条件,所以说点火能量是非常重要的。

如何提高?像高能点火、等离子点火等等,其中预燃室结构是其中方式之一,这个在国外开发很多年,而且在赛车上有应用,虽然量比较少但是依然有生产,这个点火能量非常高,比普通的点火线圈能量有百倍的差异,所以这就是为什么能够解决稀燃情况下快速燃烧的问题。高能点火高增压应该是实现稀燃的敲门砖,如果这个没有稀燃就不太可能成立。而且这个技术还有一个好处可以减少原来快速燃烧对高滚流的需求,因为点火能量非常高,而且本身能够产生湍动能在缸内。

这个是到45%和50%的技术组合,我认为到50%以后可能还有很多的东西不确定性更大,但是我觉得现在45%确定性还是比较强的,通过高效增压、高压缩比、稀薄燃烧等。稀燃产生的一个问题是功率密度会下降,我们还要高增压,而且还因为有高压缩比所以会产生异常燃烧,所以说有可能如果我们还需要高的功率密度,那么可能我们需要一些可变压缩比的技术,或者是一种喷水的技术等等技术组合。

我们看高效燃烧技术可行性,这个是日本的SIP项目,他们已经达到预期50%的指示热效率,我们看了50%不是制动热效率,猜测有效热效率是45%-48%之间,应该也是非常高的,所以说可行性应该还是有的。

另外一个就是在欧洲和日本的相关企业,在预燃室方面取得了不同的技术突破,我知道欧洲有一个企业,现在已经把天然气发动机做到45%的热效率,用的就是预燃室,还没有量产,热效率是非常高的。

另外就是技术对发动机结构产生一定的影响,但是影响并不是那么大,应该是对我们整个的生产线影响并不是很大,所以说比较有利于实现产品化。

这个是我们总结的一个技术路线,这个技术路线表达什么意思呢?就是说像现在我们投产的MILLER循环发动机,未来的一条技术路线像丰田的能够到41%是没有问题的,肯定能实现的;还有一条技术路线在增压机上可以做一些工作,进一步提高压缩比+EGR+低摩擦也可以产生41%的热效率,但是功率密度有所牺牲,但是用在混动车上肯定没有问题的。在41%之后再怎么走?是我们需要考虑得问题,到2025年以后怎么样?我们认为在这个之后,大家有可能会走到一起,大家走稀燃的路子要高增压,有可能到45%以后技术路线有可能走向统一,当然这个是探讨大家可以考虑。

第二个机会就是排放对环境的零影响,因为零排放现在仍然是电动车的专属,虽然实际上不是零排放,我们内燃机如果想要有美好的未来,实现排放对环境零影响是另外一个重大机遇,我们不能等待,与其坐以待毙不如主动出击,所以说上午为什么跟葛教授说你们国7想办法赶紧做,期待赶紧出来有准备的时间,大家还是要想怎么把排放做的更好一点,这个是未来的发展机遇。

在稀燃的情况下,我们能不能满足未来更严格的排放法规?这个确实很难说,因为大家都没有做过这个事情,但是国外确实有做过的,包括像刚才沈总讲的,奔驰本来就做压电的稀燃,我们可以想像,有一些技术路线,比如说类似像SCR,前面有一个LNT+SCR,其实有一个问题在稀燃上,柴油机现在大家都知道用尿素,如果说让乘用车的用户+尿素大家肯定不答应,这个太不方便了,但是在稀燃的情况下把NOx水平控制在很低的水平,这种情况下是有可能用很少的尿素,或者是固体氨把氮氧控制下来。

但是这个是需要做很多的工作,如果用很少的固体氨,比如说我用一罐固体氨能跑5000公里,用户应该是能够接受的,但是这个还需要一些其他的技术的支撑才能实现,否则用一罐固体氨是不够的。上午葛教授讲了汽油机是有氨气产生的,在这种情况下是可以有一点氨出来用于降低氮氧的,这个工作可以做可以探讨。

第三个机会可以做一些碳中性的燃料发动机,比如说氢发动机,这几年燃料电池非常火热,但现在燃料电池非常非常贵,但是如果我们能够开发出氢燃料发动机来,而且基本上是可以零排放的,我们为什么不能用它去代替燃料电池呢?虽然效率要低一点,氢燃料电池可能到55%-60%,但氢发动机也能至少到45%没有问题,如果说燃料电池是汽车动力的终极产品,但氢发动机为代表的碳中性燃料发动机产品在中长期之内是有可能担当起低碳零排放的重任的,特别是如果把氢发动机主要用于发电,可以做混合动力等等,我们就认为是另外一种电动化的形式化而且是零排放。但是这个确实有一个问题,就是政策是不是能够支持?因为现在没有这种政策,行业能不能联合起来争取这个政策?

第四个机会就是电动化智能化,电动化大家都很清楚了就是电动机和发动机发挥各自的优势,发动机在未来主要承担高效的能量提供者的角色,另外一个是平均功率的提供者的角色,把提供瞬时动能的角色给电池电机,这样发挥各自的优势,而且在这种条件下我们的排放还是有可能去改善,因为现在我们知道在混动情况下可能排放有时候会变恶化,而且现在我们也可以看到米勒之后λ控制很困难的,但是电动化之后有可能由于发动机比较稳定工作把λ控制的更精益一点。

通过智能网联能够进一步降低发动机的油耗水平,我们觉得把ICE重新定义一下,变成iCe就是智能网联的带电驱动的内燃机,但是内燃机仍然是未来乘用车动力的核心。

最后总结一下,低碳节能、排放对环境零影响将是内燃机面临的两个最大的挑战。

45%和50%的效率通过高压缩比稀薄燃烧实现是未来可行的技术路线,当然还有一些其他技术的支持,还有一个是碳中性发动机。

如果展望一下,2025年汽油机有望达到45%热效率,2030年汽油机达到50%热效率,但是这个比较远,从内燃机ICE到iCe肯定是我们未来发展的必由之路。 

谢谢大家!


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