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

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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