刘福水：哪个技术有竞争力由市场说了算

    [编者按]为推动科技进步，增进国际交流，引导节能减排技术趋势，“2009中国汽车工程学会年会”于2009年10月20-22日在北京举办。本届年会得到了广大科技人员的广泛支持，包括众多世界知名汽车整车及零部件企业在内，近550多名汽车行业的专家学者、工程师参会讨论。

　　刘福水：我的报告是长安475Q混合动力专用发动机开发。

　　这个图是丰田提出来的，说混合动力作为一个桥梁，这里我大胆的对国家信息中策的预测图提出一点点质疑，因为我个人认为动力技术的发展一方面受社会的约束，第一燃料是可再生的，第二是无污染的，这是基本的前提，剩下哪个技术有竞争力，哪个有市场前景，这是由市场说的算的。一方面应该有市场的调研，或者有一定技术的支撑，更重要的应该有一定的模型，所以我想知道一个数据出来它的模型是什么？否则就会把技术的发展和学术的领域引向歧途，比如说2030年美国政府提出来燃料电池作为未来动力，现在还提出来混合动力是一个方面，我们国家应该走什么样的路，一方面应该做一些分析。

　　我首先觉得内燃机不是一个西洋产业，因为现在看来我们的研究是越来越热。另外混合动力里头，它的能源核心基本提供源还是那个，我本人在做氢燃料内燃机的开发，现在我们做的效率水平基本上跟燃料电池相当，我所谓的相当是说一吨的轿车百公里的轻耗量额就是1公斤多一点点，所以内燃机有很多的工作要做。

　　在这儿我向大家介绍的是在过渡期的内燃机。内燃机大家提了很多方面的技术，这里我借用国外的一个合作伙伴，整个能源分布情况，大家可以看到燃料可以提供百分之百的热能，接下来在内燃机中大概又损耗了60恩%，然后内然箱又损耗了10%几，真正驱动车轮的动力也就剩下10%几，所以对于混合动力来讲是一个整体优化的过程，另外我们还要抓它的主要矛盾，谁浪费的能量多做谁的工作，所以从这个角度出发，主要是做内燃机的工作。那么从哪几个角度混合动力可以获得好处呢？比如说制动转油，可以把整车安排的更加紧凑，也可以节省油耗。更主要的，还是从动力系统的优化和系统的匹配上来获得。所以我们要抓住内燃机这个主要矛盾，那么内燃机应该怎么走呢？我这里给出了三条曲线，蓝色的曲线是标准的或者说理想的发动机的扭矩。绿色的是电机，也就是混合动力的另外一个动力源，如果把这两个扭矩加在一起就出现了这条粉色的线，实际上我们用发动机用的是扭矩。

　　这时我们就能够得到这么一个启示，假如说我们要保持原来扭矩的效果，或者大一点发动机扭矩的效果，实际上低速这块有很大的富余，那么怎么做到油耗的减少呢，混合动力第一个就是做到油耗的省油，既然我们把油当做第一个目标的话，这里有一个低压缩比、膨胀比的循环，因为阻碍提高压缩比的技术是爆震，我们用低的压缩比、高的膨胀比不就解决这个矛盾了吗？但它带来了一个问题，低的压缩比必然带来的是降低冲量，所以我们在提升扭矩的同时功率损失的很小，但这个系统很复杂，我们很难应用，所以这么多年来也没有应用。后来米勒先生把它做了改造，很简单，就是把进气的角开大一些，排气的角减小一些。提高了压缩比，推迟进气的时间，就可以实现循环。在原理上来讲，它就是牺牲部分排量换来较的高热效率。效果上，牺牲低速扭矩，但获得了低的油耗。

　　刚才说了一个理念，怎么实施呢？在这个理念的指导下，有一个做法是提高几何压缩比，控制的多大合适呢？发动机的油耗和效率是什么样的关系呢？这里做了一个仿真的模型，这里有一个绝热的过程，而实际上发动机不是绝热过程，用这个过程压缩比从10提高到13.5的过程我们可以或者6-7%热效率的提高，但是压缩比不能任意的提高，所以我们做的过程中就以意志爆震作为它的约束条件，我们以压缩终了的压力作为优化的边界，于是我们改变不同的压缩比，我给定不同的进气拐角就可以得到不同压缩终了的压力，最后以爆震作为约束，就可以得到不同的压缩比对应最晚的晚关角是多少？然后就可以得到绑定的关系，最后就可以做到系统的仿真，可以得到最低油耗的压缩比。最后的结果，在任何一点压缩终了的压力都不能比原机的压力高，最后就能获得一个参数。

　　最后，以长安475Q混合动力做了一个优化，重新设计活塞项，将压缩比由10提高到13，进气门关闭角和排气开启角均适度滞后。我们获得的效果，大家可以看到（PPT）。这个图是一个对应的关系图，虚线是原机的特性，实线是改进以后的特性，大家可以看到这是260g时候的油耗线，在全功耗范围内油耗大幅度的下降，并且低油耗区大幅度的扩展。但村发动机循环这一项，最后就能达到8-10%油耗的减小。

　　刚才得到的效果实际上我认为还不是最理想的，一方面受到空间的限制，当时几何压缩比已经提高到了12。另一方面它是一个折中的效果，假如配合VVT技术可以使全工况的性能进一步改善。

　　混合动力系统中发动机的能量损失起主导作用，发动机性能的优化匹配在混合动力系统研发中不容忽视。阿特金森循环是混合动力专用发动机改进的有效途径。

　　我的汇报就到这儿，谢谢大家！

汇报问答环节

    提问：
   
    刘福水：发动机的排放实际上和循环没有必然的关系，理论上这样的改变几乎不影响排放，为什么呢？因为对有效的压缩比并没有提高，但实际上是有所改善的，因为膨胀比加大了，然后燃烧进一步的充分。
    混合动力系统，它最主要的排放，或者传统发动机系统最主要的排放是在启动、待速、调整过程中，这个过程完全可以通过电机替代。
   
    提问：
   
    刘福水：冷却水温和进气温度是两个概念，理论上，一个新的发动机要经过环境的实验、高原等等实验，但我个人认为从理论上看来不应该有影响，因为燃烧过程从开头到结尾，燃烧结束只要不比原来恶化了，变化的就是膨胀比那块。
   
    提问：进气门的角进一步增大的时候有没有引起回火的可能？
   
    刘福水：理论上是有可能的，实际上我觉得基本上不可能。理论上为什么不可能呢？现在对于我们这个发动机平台来讲，汽油机在燃烧过程中，喷进去的油，如果是百分之百来算的话，实际上循环进去的油连30%都不到，实际上油是喷到气门和进气道过程中，但大部分油没有喷进去，然后等下一个循环才进到里面去，所以这实际上是滞后一个循环的。从这个角度上理解，喷油控制好的话障碍没有发生本质的差异。
    第二，说到回火，实际上回火是最大的事，着火就三个调整，第一适当的温度，第二必须有可燃气体的状态，第三，得有货源。所以我们完全可以通过优化和CMB的设计解决这个问题。
   
    主持人：谢谢刘教授的精彩发言。下面有请北京迈斯沃克软件有限公司的陈炯先生，他的题目是：使用基于模型的设计方法开发混合动力总成系统。