天津大学教授苏万华：高效率压燃汽油机技术
2018-12-07 15:31:43   来源： 盖世汽车　    点击：　    【字体：大 中 小】

　  各位专家下午好，下面由我汇报一下我们工作和想法。首先这个工作包括交通运输在内，所有的动力装置或者乘用汽车评价技术的先进性和技术方向，我们应该关心二氧化碳排放，二氧化碳排放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工作效率，或者是发动机的效率。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，或者碳排放降低。我今天讲的问题就出于二氧化碳减排的目标，如何解决内燃机的燃料二氧化碳排放问题。

　　讲这样几个问题，我讲的比较具体，这个发动机我们考虑从中载车发动机技术发展的需要，中载车辆或者轻载车当前应该关心发动机，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，载货量高于轻载车，主要运行在城市和近郊，变工况和低工况运行剧烈，瞬态工况燃油都有特殊的要求，RDE排放控制，再加柴油机排放的原因，在很多城市里应用有受到限制，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。

　　现在首先的一个必要性，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，最近几年，从2005年开始，柴油的油量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、冶炼、柴油、汽油正常的比例。实际上现在石化公司他们都要采取很多特殊的措施来加重油分的比例，从长远的发展来看，重油要受到限制。现在就很需要开发一种汽油机，汽油机能够取代一部分柴油机，我们认为在中载发动机下或者轻载的卡车上，对于发展汽油的发动机非常重要。这里面像重载发动机，在汽油机来说大家都很熟悉，因为它在低负和各种损失大的原因，在人口非常密集的区域，汽油机的平均运行效率25%，所以我们提出增程式汽油机的想法。

　　增程式的汽油机我们开发的是一种G-HCCI燃烧系统，可以获得很高的热效率。在过去大家已经做了很多的研究，很多专家也了解，实际上HCCI比普通汽油机的效率增加很多。我们现在做的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，在增压发动机的基础上做的。它特别适合，如果我们用增程式的混合动力系统，使用高效率的这种汽油机就非常合适。

　　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供热效率，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工况，在燃烧过程里是有损失的。前面图里给的都是燃烧过程之外的发动机的排气损失、散热损失、机械摩擦损失，这张图说的是燃烧过程的化学能的损失，它的损失可以达到33%左右，损失很大。如果采用吸燃，降低到0.6左右，损失就降低到24%，简单来说，这时候我们如果用增压，或者提高压缩比的办法，把热效率进一步降低到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？损失可以降低在16%左右。

　　我们把我们所研究过的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，热力学的效率可以看出来，工况1普通的自然吸气汽油机的压缩比等于10，这个过程理论上热效率不会超过40%，就是在37%、36%。如果采用吸燃会增加，进一步的采用增压，提高压缩比，特别像斯坦福这样的，他们把压缩比提高到100，热力学的效应就可以达到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？功转最大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孔喷射，进气的过程可以通过外延的增压，改变进气的压力，把柴油机原有的黑油气去掉，这个如果发明成功的话，是结构很简单，造价很低的利用。

　　在实际的发动机里面，这里面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。首先我们介绍几个因素，比如说初始燃烧压力和当量比，首先当量比提高的比如有可能使燃烧的效率提高。我们研究说明了什么问题？就是这个理论光是这样讲不行的，实际上∑在提高效率里面并不是那么重要。只有在一定的当量比我们可以保障最高热效率的方程，如果有就会过早并且过分粗暴的燃烧，这可以获得比较平稳的高热效率的燃烧。

　　这里面很重要的影响因素EGR，我们对EGR的运用要求很高，它也可以改变当量比，加上EGR会使∑降低。这个问题我只是介绍一下燃烧过程的控制，实际上是通过负荷和EGR协同控制。这个是说点火过程，这个燃烧速率的控制也很复杂，它既受当量比的影响，也受EGR的影响。在高当量比的时候，有很高的燃料速度，如果EGR率多或者少，都会使得燃烧速度产生很大的变化。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。

　　这是一个总的试验结果，我们可以看出来，试验结果从7.8bar以上，在以下采用气门技术。7.8以上我们基本可以保证51%的状态，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的结果。这里面随着负荷的增加，机器的压力或者说增压的压力是要不断的提高，EGR率也有相应的提高。但是到了一定的点，这里面发现一个拐点，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，不能继续增加。如果当量比过高，增加EGR以后，使得燃烧率降低。在前面这段，随着提高增压的压力，不断的提高EGR率，整个燃烧的效率是提高的，主要是因为散热损失在减少。我们得到这样的结果以后，实验研究，就是我们在这里面应该继续下去的，我们应该进一步的提高增压压力，看一看热效率的结果，但是由于最大爆发压力的限制，我们不得不改变研究方法，这样的情况下我们提出了一个低用损失热力学参数超高热效率，G-HCCI发动机模型研究，这个模型是通过多钢区燃烧过程模型，和详细化学动力学模型结合起来，进行燃烧过程的研究。这个模型建立在一个比较实际的，柴油机体系的基础上，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，就使得低压循环这一部分，它输出的参数，增压的压力和温度不是直接影响燃烧过程的压力和温度，我们是通过压缩比来调整。在这个研究过程当中，增压的压力可以不断的提高，但是我们可以保持Tb，就是输出温度保持在323K。另外我们保持膨胀比，在经过优化以后，在15左右。这样就变成了两个系统，这个系统我们可以做到非常好的平衡，膨胀比在15的时候，膨胀废气的力量正好可以被增压器吸收，提供给压缩功，这是优化的过程。

　　看看结果，在这里可以看到，我们把压力从原来实体发动机2.5bar左右，继续提高到一直到9个bar，它的压力是线性增加，平均输出的负荷和压力也可以增加。这过程当中，热力效率前段是增加的，到了一定程度是缓和的状态。这是散热损失，在9个bar增加压力的情况下，散热损失只有5%左右，最大到15%。这个地方是我们的EGR率的变动范围，还是很接近理论研究的低用损失当量比的范围。最后结果，如果pb等于3，pmax等于22Mpa，ITEg等于54.8%，散热Q等于12.5%，BTE大于51%。我们认为发动机在3、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%，做到美国提出来的在近期内内燃机达到60%的指标，通过这样的技术路线是可以实现的。我们在这个燃烧过程中温度始终保持在2000度，这个结果使得我们很有效的控制max的生成。不绝热可以达到大于51%的效果，绝热是大于63.9%的结果，所以是非常有前景的。

　　我们在3-4bar条件以下，在这段时间，在3-4bar压力以下，提高Pmax提高热效率，就可以显著提高BTE压力。我们可以达到这种热效率的输出，燃烧过程控制，我们可以把它归结为LLE，这还是我们比较核心的技术。还有一个非常重要的技术是可变压缩比，我们可以在应用的范围里面，采用固定的压缩比，采用平均的压缩比，也是很现在的这个发动机的结构简单，成本很低，所以我们很希望能找到合作对象。曾经有一家汽车公司要和我们合作，但是这个改造一定要在柴油机的基础上。