中国汽车论坛丨保罗·卡布斯:混动系统的全局观-热力学、热管理及控制

来源:盖世直播时间:2023-07-11 18:25:14

2023年7月5日-7日,由中国汽车工业协会主办的第13届中国汽车论坛在上海嘉定举办。本届论坛以“新时代 新使命 新动能——助力建设现代化产业体系”为主题,设置“1场闭门峰会+1个大会论坛+16个主题论坛+N场发布”共18场会议及若干发布、展示、推广等活动,旨在凝聚各方力量,形成发展共识,为建设现代化产业体系贡献汽车行业的智慧和力量。其中,在7月7日下午举办的“主题论坛十一:绿色转型与产业发展”上,奥地利AVL李斯特公司点燃式发动机开发和概念车的部门经理保罗·卡布斯发表精彩演讲。以下内容为现场演讲实录:


(相关资料图)

感谢主持人对我的介绍。我们有一个不太一样的话题,我们谈论引擎。

首先我们想谈一谈关于发动机,现在有很多讨论是关于发动机的,我们是否有足够的电能、足够的电力来取代发动机的职能,还有一些讨论是关于代价电能的成本。如图所示是德国,如果想要进行转型所经历的能量的改革。

我们要选择什么样的路线呢?我们需要把决定权交给消费者,我们谈论一下技术。在不同地区、不同的国家,在全球比如欧洲、日本两年前可以看到,市场份额在逐渐地增加,混动的份额在逐渐增加;在欧洲、日本混动的比例也在不断地增加。在欧洲,立法会更加完善,在日本我们也有相应的技术突破,我们把决定权还是交给消费者(在日本)。

关于混动,混动在不同时期都有不同的发展。视频当中的发动机是非常好的发动机。1969年通用就推出了第一个混动汽车,2008年是另外一台混动汽车在中国诞生。在混动发动机中,动力传输系统起到什么作用?我想关注一些特别的案例,日本有一家公司,我们推动了发动机的进展以及BTE的发展。这样的混动发动机有什么样的功能和特性?我们有冷却系统,冷却系统是非常重要的,以及尾气排放的处理、尾气排放的罩,之后我会介绍一些我们的产品研发。我们也有不同的通路连接不同的部件,所以我们关注排放,我们在排放端进行一些技术的突破。我们也应用了很多催化剂进行其他能源的替代。

看一下这两个部分,首先是内燃机。如果研发了点燃的效果,我们就会在M8内部进行一个点燃插电式的发展,这是我们AVL在催化剂参与下的产品。我们为什么选择这样的路线,因为我们想要降低能耗,提高燃烧的效率,我们希望能够得到3%的能源消耗的降低。

看一下尾气排放以及热管理。如图所示,我们有更低的压力,还有EGR的组件。我们还有一个通路的组件,进行空气的流通以及一个阀门,以及空气流动的通路。在催化剂的参与下,可以使得这样的流通成为现实。

管道中有一个在催化剂参与下的后处理,这是在汽车内部进行的后处理。如图所示展示了催化剂所存在的范围。我们如何进行EGR的处理?因为我们的乘客毕竟是在汽车里,不在测试台上,所以我们要更关注他们的体验。如图所示是压缩机以及空气流通的路线,内部、外部空气压缩机是如何运作的,如图所示是简单的通路展示。我们有一个45%的能效提高,可以看到在发动机当中可以大大地促进能效的提升。动力传输系统的配置是怎样的?这取决于我们如何进行运行,我们有能力进行能效的降低,这也可以使得不同的发动机以及传动进行能效的提升和表现的提升。对于HPEV以及PEV有一个能效和功能的实现,对于电动系统是很好的热管理的控制。

如图所示我们如何来运作WLTP的可持续性,我们在具体哪一个点进行运作,进行一个操控。第二图展示了第二个发动机更加有效,因为它有1484克碳的降低,第三个图在有效的热管理下有更低的碳排放。我们在动力传输系统当中如果进行有效的热管理以及有效的冷却,我们也能得到一个能效的提升。

有时候我们会讨论到充电。如图所示,发动机是非常重要的部分,我们驾驶这个电动车以及传统汽车都有变速的过程,变速如何提升能效?充电也是一个非常能影响能效的过程。

总结一下,这是我们的一个架构,通过一个新型的架构可以提升这个系统的能效。我们测试了特殊路况下,例如在高速上我们的架构是否能更好地进行工作,可以看到这个架构可以达到能效的提升。我们在加载点上进行漂移,我们是否能够看到一个能效的提升,在特殊路况下甚至在高速路况下也能看到能效的提升。

再看一下热力学的管理,这是我们在高温下的冷却系统,这里有很多EGR组件参与到我们的冷却系统当中。EGR在冬天的时候进行操作,这个也可以在充电的情况进行能效的提升,在低温下/高温下进行冷却处理,这样我们可以有一个更小的泵,可以有更多的空间节省,更好的冷却效果。我们可以将一些能源进行转移,用于进行系统的冷却。我们也能够在冬天更好地运行我们的系统,也可以在一些常温情况下进行系统运作。通过这个方式,也可以在夏天用同样的温度进行运行,因此热管理方面是一个非常炙手可热的话题,并且需要我们严阵以待的。

还有一些软件也是需要的,可以看到30%的EGR过程中需要保证在所有工况下可以稳定运行,软件开发方面肯定要注意到一些事情,比如带电子催化转换器的加热,以及带有修正的闭环EGR控制,主要是基于发动机粗糙度和棒振传感器反馈这个闭环控制,最后是热管理。我们如何能更好地进行相应的预热,通常情况下有15秒的时间启动发动机,之后出现电子涡轮增压,通过这样的方式会来到15瓦的功率,15秒之后我们可以看到在整个转速达到1500转在这方面几乎马上启动了循环,加起来大概30秒左右。

还有加热板,在预加热之后会出现相应的温度上升,在这方面我们也会进行温度的测算,我们要防止过热或者过载的情况。循环当中我们需要先进行一部分的加热之后,让热量慢慢扩散开来,可以更好地利用电池的电量,或者已经产生的电量进行相应的汽车工况的支持。

如图所示是整个燃烧控制,通常情况下我们会用到缸内压力,需要考虑到整车情况来做。在这方面都需要有软件的加持,通过软件的加持完成一切的工作,我们需要从串联模式过渡到并联模式,这样的情况是不稳定的,所有的情况都是由我们的软件进行控制的,我们希望能够保证整个发动机运行非常平稳。在这样的情况下,可以发现,可能会出现有些爆震的情况,我们需要针对爆震进行一定的干预,这样才能更好地进行闭环的燃烧控制,进一步改善EGR,最终改善整个爆震以及相应稳定性的提升。

如图所示是串联模式下的情况,同样看一下EGR也能够很好地对冲爆震的情况,通过这样的方式能够稳定住发动机的工况。同样,通过改善EGR的水平,可以看到整个发动机再次趋于稳定,保证在安全的窗口下进行整车的行进。通过管理EGR率,闭环的控制可以满足EGR对于相应的发动机需求的满足,可以说整个汽车的性能得到了比较好的保持和改善。

再看一下热管理,在农村地区或者乡村地区的工况可以看到,在有些时候整个速度会超过120公里/小时,甚至有时候环境会比较冷,因此可能需要一部分加热,通常情况下会需要进行相应的催化转换器的加热或者预热,我们希望能更好地启动发动机,减少废气的排出。可以看到,整个挡板处于关闭的状态,在冷冻启动方面我们的时间非常短,因此整体的温度可以控制在比较好的区间。在整个环境温度上升的时候,我们也有一个内置的降温设置,可以看到在很早期的时候就能进行温度干预。在此情况下,在EGR温度急剧上升的时候,我们也有相应的准备措施,一旦温度非常快速地上升,我们肯定要注意到相应的EGR整个循环热气废气处理循环中的高温工况条件。在此情况下,可能需要必要的骤冷的情况,否则会出现一定的事故。

我们做的相应的模拟和测量,从模拟和测量中可以看到15%的相应的改善,主要是进行发动机方面的改善,没有做太多的校准和校正。与此同时,我们还会进行车底和底盘的测量,大家可以看到整个燃油消耗在整车层面得到了比较大的提升。

所有这一切都是通过整个模拟得到的,我们还做了很多其他的模拟,如图所示是真实的情况下的案例,供大家参考,这是在奥地利具体行驶的例子,我们在城际之间进行通行,走出城市再到农村地区,再次走到目的地城市的地区。整个发动机运行速度在城市区域里面,整个发动机速度是比较低的,但是在高速公路上可以看到出现了间歇性地运行。现在我们要做什么?我们并不需要全载运行,而是可能会需要这样一些低点的转移,在发动机工位点上有一部分是高速运行的,但是之后可能会用到部分的电驱方式,不断地切换高低工位之间的转换。

究竟在现实生活中发动机的效率可以达到多少?一开始肯定是不好的,因为一开始只是跑了几公里的话,整个还没有热起来,发动机工作效率只有32%左右。发动机正式启动之后情况就好了,在平均水平上来看,在阶段1的循环当中有42%的运行效率。

说了这么多,能否进一步超过43%?当然我们未来可以做到更多的工作,真的是取决于大家在这方面愿意投入多少,你要改善一部分的效率或者提升效率的话,肯定要更多的相应的技术模拟的,这方面需要大家进一步地工作和思考。在这方面,我们要思考的是如何能够做出进一步的贡献,实现碳中和。只有这样,我们才能够不断地降低碳排放,并且实现100%的减排,也就是零碳的目标。

这是非常好的思路去打造高效率的发动机,但是更好的是希望能够把它整合到整车上的时候,能够尽可能地避免效率的损失。在春天、夏天、秋天、冬天,无论何时何地,希望能够有更好的驾驶体验,希望能够保证车主在任何时间,任何条件下在驾驶汽车的时候都有稳定平稳的体验,这是我们的想法,也是跟大家合作的根本理念,希望通过这样的方式能够最终取得成功,在这方面之后如果大家有意的话,我也愿意和大家进行沟通和交流,非常感谢!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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