發(fā)動機節(jié)能技術(shù)及綜合運用(20160615)課件

1、發(fā)動機節(jié)能技術(shù)及綜合運用楊靖楊靖 （主研方向：內(nèi)燃機性能開發(fā)及動力匹配搭載）（主研方向：內(nèi)燃機性能開發(fā)及動力匹配搭載）2016年年6月月15日日我國各階段排放法規(guī)世界各國各階段排放法規(guī)我國各階段經(jīng)濟性法規(guī)整車測試循環(huán)工況主要國家和地區(qū)燃油消耗率狀態(tài)及標準對比第三階段油耗標準第三階段油耗標準2014年年11月開始實施月開始實施第四階段油耗標準已第四階段油耗標準已于于2016年年1月開始實施月開始實施發(fā)動機現(xiàn)代節(jié)能技術(shù)一 高效燃燒技術(shù)（稀燃、HCCI、RCCI雙噴、高壓共軌、滾流、）二 新循環(huán)技術(shù)（Atkinson）三 匹配搭載技術(shù)（發(fā)動機選型、減速器速比、換擋控制策略）四 可變技術(shù)（可變氣管、V

2、VT、VVA、變排量、變壓縮比）五 EGR技術(shù)（活化能利用、惰性分子利用）六 代用燃料技術(shù)（丁醇）七 增壓技術(shù)（廢氣渦輪增壓、準增壓、雙增壓）八 混合動力發(fā)動機技術(shù)（油電混合專用機、空氣混合動力）九 綜合節(jié)能減排技術(shù)（準增壓+雙噴稀燃+EGR+DPF-直接取代三元催化和SCR技術(shù)、渦輪增壓+缸內(nèi)直噴、雙增壓直噴、增壓中冷高壓共軌三段噴射、直噴均質(zhì)稀燃+EGR、VVT直噴稀燃高壓縮比滾流高能點火、后處理）十. 輕量化技術(shù)（結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料）一、高效燃燒技術(shù)1、稀薄燃燒技術(shù) 缸內(nèi)直噴分層燃燒：有效防止噴注著壁，減少HC排放，非均質(zhì)混合氣著火可靠、燃燒完全。但小負荷時燃燒惡化、噴孔積碳堵塞等； 進

3、氣道噴射+缸內(nèi)中置直噴：防止燃油掛壁降低PMu 需要組織強滾流和混合氣分層GDI傳統(tǒng)MPI啟動需要噴射量冷卻水溫度 deg. C-50-30-101030507090啟動工況 GDI和均質(zhì)混合氣汽油機所需的噴射量比較分層燃燒與均質(zhì)混合氣發(fā)動機排放比較 GDI發(fā)動機的優(yōu)勢 缸內(nèi)燃油噴射定時和進氣運動更易實現(xiàn)混合氣分層； 燃油噴射霧化混合氣的形成質(zhì)量改善，進氣溫度影響較小，充氣效率提高； 可以采用高的壓縮比或高的增壓比，降低辛烷值要求； 取消節(jié)氣門，減少泵氣損失，發(fā)動機的經(jīng)濟性改善； 高壓縮比缸內(nèi)溫度壓力提高，改善了點火和燃燒條件，可降低冷起動時未燃碳氫排放； 便于采用多次噴射、后噴射等冷起動排放

4、控制策略； 通過后燃噴射等提高排氣溫度及能量，提高增壓器的快速響應(yīng)性能。 GDI發(fā)動機的問題和困難 難以在全工況運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)實現(xiàn)混合氣理想的分層； 噴孔容易結(jié)垢，影響噴霧特性和噴油量； 低負荷時HC排放高，高負荷時NOx排放高，有碳煙生成； 部分負荷時混合氣稀于理論空燃比，三效催化器轉(zhuǎn)化效率下降，需采用選擇性催化轉(zhuǎn)化技術(shù)； 氣缸和燃油系統(tǒng)磨損增加。一、高效燃燒技術(shù)2、HCCI技術(shù) 高壓縮比（1821）+稀薄燃燒（2.5）+EGR均質(zhì)壓燃的低溫燃燒過程，效率可提高23%，Nox降低95%以上。 但對轉(zhuǎn)速和負荷敏感，燃燒容易惡化。適合于定工況工作增程式混合動力，但有效排量損失、比質(zhì)量低；Strati

5、fied Charge Spark Ignition （SCSI）Homogeneous Charge Compression Ignition （HCCI）Homogeneous Charge Spark Ignition （HCSI）均質(zhì)點燃、分層點燃、均質(zhì)壓燃的比較燃油消耗率（燃油消耗率（HCCI）Nox排放（排放（ppm）（）（HCCI）3、RCCI技術(shù)（ Reactivity Controlled Compression Ignition 燃油反應(yīng)活性控制壓燃） 缸外雙噴均質(zhì)壓燃技術(shù)：壓燃柴油引燃氣體燃料，小負荷時靠EGR填充和產(chǎn)生活化作用。不同燃燒技術(shù)比較一、高效燃燒技術(shù)4、高壓共

6、軌技術(shù) 高壓噴射（2000ba）+分段噴射（35段），工作柔和、熱效率高、增大升功率、降低油耗、降低排放；5、汽油機強滾流技術(shù) 促進空間混合、提高空氣利用率、加速火焰?zhèn)鞑?，尤其是組織汽油機稀薄燃燒時效果顯著。二、新循環(huán)技術(shù)（Atkinson）Atkinson循環(huán) 利用氣閥開閉時刻改變發(fā)動機有效壓縮比，使發(fā)動機的膨脹比加大時發(fā)動機不發(fā)生爆震燃燒，其實質(zhì)是以犧牲有效排量為代價提高發(fā)動機膨脹熱效率、實現(xiàn)經(jīng)濟性的改善。示功圖表達l 關(guān)于汽車百公里油耗的構(gòu)成三、動力匹配技術(shù)l 原機與改Atkinson循環(huán)的萬有特性對比T_EC Nm020406080100120140SPEED rpm010002000

7、3000400050006000250250270270270270260260260260280280280280290290290290310310310310310330330330410410410342313306300291285281278275316319353517171725252510101066650757169675754514538157轉(zhuǎn)矩 （N.m)20406080100120140轉(zhuǎn)速 （rpm）10001500200025003000350040004500500055006000235235250260260260280280310310310310310

8、360360360450337322306285273248247261l 特征點油耗比較原B15發(fā)動機： 386g/kW（2000rpm、2bar、88 ） 329g/kW（3000rpm、3bar、96 ）Atkinson發(fā)動機: 351g/kWh（2000rpm、2bar、97） 303g/kWh（3000rpm、3bar、99）l發(fā)動機特性和變速器的匹配及換擋策略四、可變技術(shù)1、可變氣管：氣管長度可變，單雙氣道切換；2、可變氣閥規(guī)律 VVT：氣門正時可變； VVL：氣閥升程可變； VVA：氣閥時間斷面可變；3、變排量 停缸階梯變排量； 利用VVT排量連續(xù)可變；4、變壓縮比 利用VVT改

9、變有效壓縮比；5、變排量機油泵 石蠟節(jié)溫器控制；五、EGR技術(shù)1、外部EGR循環(huán) 將排出的廢氣經(jīng)冷卻后輸入進氣管。少量EGR具有活化作用促進燃燒、大量EGR降低Nox排放。但普通EGR閥積碳卡死、控制靈活性和精度無法保證、成本高壽命短；2、內(nèi)部EGR循環(huán) 利用VVT無需額外設(shè)施，但排氣溫度高則導致EGR率較低和容易引發(fā)爆震，適應(yīng)范圍較小。3、高頻EGR閥外部外部EGR,（a）:低壓回路；（低壓回路；（b）高壓回路）高壓回路內(nèi)部內(nèi)部EGR六、代用燃料技術(shù)1、甲醇和乙醇：甲醇有毒和腐蝕性、乙醇占用糧食資源；2、天然氣和石油液化氣：能量密度低、熱值低并具有腐蝕性；3、生物柴油：膠質(zhì)和其他成分導致不完

10、全燃燒、噴孔堵塞等；4、生物丁醇：利用農(nóng)作物廢料生物方法提取、熱值約為汽油的84%，與汽油和水的相溶性好、抗爆性好、無腐蝕性、與普通汽柴油儲運方式相同、可以直接摻燒。5、丁醇與汽油摻燒 2010年，美國投資公司與英國石油公司合作研究結(jié)果為：16%摻混率功率不下降。 同年湖南大學研究結(jié)果為：在發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)完全不變的前提下，僅通過可調(diào)整參數(shù)的優(yōu)化可以做到最高35%摻混時功率扭矩不下降，低速時扭矩增大8.15%、至少油耗率降低12.6%、CO排放降低37.5%、HC排放降低20%、Nox比汽油高28%。6、放熱規(guī)律研究 純汽油 35%丁醇汽油7、混合比和點火時刻研究 混合比變化 點火時刻優(yōu)化8、動

11、力性和經(jīng)濟性結(jié)果 轉(zhuǎn)矩比較 能耗率比較9、排放性結(jié)果15001500200020002500250030003000350035004000400045004500300030004000400050005000600060007000700080008000Engine Speed(rpm)Engine Speed(rpm)HC(ppm)HC(ppm)90#35%+CDI 0 0500500100010001500150020002000250025003000300035003500400040003000300040004000500050006000600070007000800080

12、00Engine Speed(rpm)Engine Speed(rpm)NOx(ppm)NOx(ppm)90#35%+CDI -5010025040055070085010001150130014501600350045005500650075008500NOx（ppm）Engine Speed（rpm）Gasoline35%Butanol（0.92）l “ The Performance Analysis of an Engine Fueled with Butanol-Gasoline Blend” 論文在美國底特律2011年SAE國際年會上宣讀；l 與美國俄亥俄州立大學及美國Butyl

13、Fuel公司交流：10、研究成果的領(lǐng)先性及國際合作七、增壓技術(shù)機械增壓：增壓度低、耗能高；廢氣渦輪增壓：滯后、不適合小型機；氣波增壓：效率較高、適合小型機；復合增壓和兩級增壓：高增壓度；準增壓：不增加成本，增壓度低。nPsmaitce mite1b 復合增壓器系統(tǒng)八、混合動力技術(shù)1、油電混合動力增程式并聯(lián)串聯(lián)混聯(lián)2、空氣混合動力制動能量回收增壓氣動驅(qū)動附件3、混合動力效率分析l 燃油動力汽車油耗改善2228%則可達到電動車CO2排放水平l 混合動力汽車發(fā)動機工作范圍l 混動并優(yōu)化后的效果：原車油耗7.1升/百公里原機改油電混合后5.25升/百公里Atkinson混動4.42升/百公里優(yōu)化策略后

14、3.87升/百公里4、普銳斯四代混動技術(shù)技術(shù)水平：2.5升/百公里、發(fā)動機熱效率40%；所采用的現(xiàn)代技術(shù)： 高壓縮比； 稀燃； 高能點火； Atkinson循環(huán)（大膨脹比、降低泵氣損失、增強掃氣效果）； 增壓中冷技術(shù)； 大量中冷EGR（各缸控制均勻性1%以內(nèi)）； 高滾流比； 進排氣道和燃燒室改善； VVA靈活運用； 低摩擦技術(shù)（低粘度機油、降低風阻、缸套溫度梯度控制、等離子噴涂減磨、 機艙熱管理和發(fā)動機熱管理、零件小型化、四驅(qū)等）； 輕量化技術(shù)（新材料、新結(jié)構(gòu)，控制器減重、冷卻系統(tǒng)減重、電機減重、機油泵減重等，整車重量降低6.3%）； 高效電機（能量密度高、繞組滿槽率高、銅損鐵損降低了20%、磁通密度降低了15%、效率高、重量下降21%）； 新策略等（能量流切換策略、大減速比。九、綜合節(jié)能減排技術(shù)高壓縮比+Atkinson循環(huán)+可變渦輪增壓；缸內(nèi)直噴+稀薄燃燒+三元催化增壓+稀薄燃燒+EGR+DPF 直接取代三元催化和SCR技術(shù)。渦輪增壓中冷+缸內(nèi)直噴稀燃+EGR+VVTS+高能點火準增壓+RCCI+EGR+稀薄燃燒 +雙點火+強滾流雙增壓中冷+高壓共軌三段噴射+中冷EGR+DPF停缸+VVT變排量+稀薄燃燒+EGR十、其他技術(shù)技術(shù)中置直噴技術(shù)（300350ba）霧化