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乘用车发动机热效率问题引热议车企应抓住汽车电动化带来的机遇

发布时间:2021-05-28 13:54:06 来源: 中国汽车报网

日前,吉利汽车宣布,在发动机热效率方面的前瞻技术取得了新突破,均质稀薄燃烧原型样机实测实现51%的指示热效率。其研究成果未来将应用于新一代混动专用发动机。

  当前,发动机热效率再提高已经成为一件比较困难的事。吉利汽车此举引起行业广泛关注。其实,中国消费者在用车过程中最关注的依然是油耗问题。记者了解到,提高乘用车发动机热效率,一直是各大汽车企业正在积极努力的方向。在汽车行业变革的大背景下,潜心钻研内燃机技术应成为企业长期坚持的做法之一。

  ♦51%的指示热效率意味着什么?

  作为传统汽车的“心脏”,发动机是整车开发的重中之重。发动机的热效率又被称为“发动机有效效率”,是指发动机有效功率的热当量与单位时间所消耗燃料含热量的比值,用以评定发动机的经济性。发动机靠燃油的燃烧做功,通过燃烧产生的热能来推动汽车运动,是一个由热能转化为机械能的过程。热能在转化过程中不可能完全用来做功,必然有一定的损失。

  记者了解到,丰田的销量担当卡罗拉/雷凌双擎车型,配装代号为8ZR的1.8L阿特金森循环自然吸气发动机,压缩比达到13:1,发动机最高热效率达到了40%;凯美瑞传统燃油版2.0L自然吸气M20C发动机以及2.5L自然吸气A25A发动机,压缩比均为13:1,最高热效率也同样达到了40%。

  自主品牌企业近年来同样在深耕发动机热效率。一汽奔腾T77 PRO 1.5T发动机的热效率达到39.06%。2010年广汽第一代发动机热效率为34%。经过十年的发展,2020年广汽第四代发动机热效率达到42.1%,其计划是在2025年前实现热效率达到45%。长安汽车基于蓝鲸NE动力平台研发的发动机除了满足国六b的同时,最高热效率达到40%。

  对吉利汽车宣称“实现51%的指示热效率”,有行业人士提出了质疑。这位行业人士表示,指示热效率可以被认为是理论上可以达到的状态,即理想效率。这也就意味着发动机在工作过程中具备达到51%热效率的潜力,但实际并不能够达到。

  记者了解到,指示热效率的“指示”代表“实际循环指示功”,也就是推动活塞所消耗的功。不过,能量从活塞到发动机输出轴的传递过程中,会经过活塞连杆、曲轴等结构,期间每通过一个连接点都会损失掉部分能量。因此,指示热效率的参考意义有限。

  记者了解到,作为国内自主品牌的先锋,吉利汽车从2017年率先开发出39%热效率的增程专用发动机;到2019年自主研发攻克了低压废气再循环(LP EGR)瞬态控制技术,助力吉利汽油机突破了41%热效率。吉利汽车是国内首家在混动增压汽油机上应用该技术的整车企业。此次实现51%的指示热效率,对行业发展有一定的推动作用。

  ♦颠覆发动机燃料类型或许是出路

  与外资品牌发动机相比,自主品牌发动机热效率处在什么样位置?天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室原副主任姚春德表示,现在是处在同一起跑线上。

  燃烧技术是整个发动机里最核心的技术。燃烧是一个复杂的系统,会受上百个参数影响,比如点火时间、压缩比、壁面温度、空燃比等。但是,提升热效率确实不容易。比如,活塞往复式发动机诞生百年,整体结构变化不大,在过去50年里,顶级发动机热效率提升也不超过10%。记者了解到,此前潍柴把柴油机热效率提高了一大截,用了五项专利技术来“攒”热效率——协同燃烧技术,协调设计技术、排气能量分配技术、分区润滑技术、智能控制技术。

  姚春德认为,汽车企业在发动机上应用的技术,都在逐渐趋同化。“长城、江淮、吉利、长安、一汽、东风等国内汽车企业的发动机技术基本上都在趋同化,奔驰、大众、宝马等外资汽车企业的发动机技术也是趋同化。”他说。

  据丰田总公司动力总成相关部门负责人介绍,最新一代普锐斯所配装的1.8L ESTEC 2ZR-FXE发动机通过高速燃烧、EGR冷却、热管理和减磨等技术的精细改进,实现了发动机40%的热效率,也使其成为当前量产车中热效率最高的发动机。

  姚春德表示,单纯从改变汽车零部件结构方面来讲,对提升热效率不会取得重大突破。改变燃料类型,成为行业人士推荐的从根本上改变发动机热效率的一种方式。这是对发动机热效率最颠覆的一种方式。

  “作为应用到内燃机上的燃料,甲醇具有极性和潜热高两个明显区别于其他燃料的理化特征,带来了内燃机腐蚀磨损和低温冷启动困难这两大技术挑战,进而对耐久性和热效率产生影响。可喜的是,经过业界一些科技人员十几年技术攻关,这些方面已经取得进展和突破,并使国内甲醇内燃机在这一领域处在世界领先地位。”中国汽车工程学会名誉理事长付于武如此表示。

  ♦电动化给内燃机发展带来挑战和机遇

  去年,我国相继发布了《节能与新能源汽车技术路线图2.0》及《新能源汽车产业发展规划2021年~2035年》。其中提出,到2025年,中国新能源汽车新车销量将达到汽车新车总销量的20%;至2035年,中国节能与新能源新车将各占一半,传统能源动力乘用车将全部转化为混合动力乘用车,以实现汽车产业全面电动化转型。《节能与新能源汽车技术路线图2.0》进一步指出,至2035年,我国混合动力乘用车油耗需控制在4L/100km的水平。

  在汽车产业变革进程中,碳中和、碳达峰成为当下的热词。在推动中国2030年碳达峰、2060年碳中和目标实现过程中,如何高效实现节能减排成为汽车产业面临的重要任务。因此,如何大幅提升乘用车动力系统的效率,成为当前国内整车节能亟待解决的技术难题。

  姚春德告诉记者,内燃机多年发展的经验表明,只有混合动力才能满足环保要求和工信部的油耗要求,“混合动力能够用电来弥补发动机的一些不足。这样能让发动机在工作的时候更加省油、更加具有经济性。我认为,混合动力应该是一个非常重要的发展方向。”

  记者了解到,吉利汽车联合国内零部件企业和高校在2020年12月成立了中国乘用车动力总成专业委员会(SCP)。作为SCP牵头企业,吉利汽车表示已经做好“全面迎接混动时代”的技术准备,其全新一代混合动力系统配装的专用发动机热效率超过当前市场上所有在售产品,将于今年下半年正式上市,从而助推全国“双碳”目标加速实现。

  另据了解,在比亚迪DM-i混动系统里,发动机除了热效率高之外,可以长时间在高效区域运转。热效率43.04%的发动机配装比亚迪高效电管理系统,进一步降低油耗。当前,DM-i系统已经普及秦PLUS、宋PLUS新能源、唐新能源等车型。

  姚春德说:“内燃机行业已经是很成熟的行业了。发动机工业是汽车工业的根基。汽车企业应该好好沉下心来研究发动机技术,取得突破。”