內(nèi)燃機節(jié)能潛力和技術(shù)途徑探討

內(nèi)燃機節(jié)能潛力和技術(shù)途徑探討匯報人：謝輝天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室2013.06.15，天津發(fā)動機節(jié)能技術(shù)途徑缸內(nèi)節(jié)能－燃燒技術(shù)缸外節(jié)能－能量綜合利用路上節(jié)能－人車路協(xié)調(diào)1.缸內(nèi)節(jié)能技術(shù)－燃燒技術(shù)基于廢氣管理的汽油機高效燃燒技術(shù)汽油機節(jié)能減排技術(shù)汽油機節(jié)油核心問題節(jié)氣門控制負荷-泵氣損失排放要求當量空燃比-低比熱比火焰?zhèn)鞑ニ俣扔邢?低等容度新技術(shù)的多樣性小型化&增壓缸內(nèi)直噴進氣門控制負荷HCCI均質(zhì)壓燃以HCCI燃燒為代表的高稀釋低溫燃燒具有更高的節(jié)油減排潛力PFI汽油機:drive-by-airinjectorSpark小負荷時泵氣損失達到40%IOECICGDI稀薄燃燒:drive-by-fuelEGRcatalyticconvertercamshaftreferenceSparkElectronicThrottleknocksensor節(jié)油10％～15％GDI系統(tǒng)的成本后處理系統(tǒng)的成本對燃油品質(zhì)的要求廢氣率和溫度小大高低有效容積負荷廢氣驅(qū)動燃燒：drive-by-residualsExDrive?HCCI燃燒：drive-by-residuals當量空燃比下內(nèi)部殘余廢氣HCCI，部分負荷油耗降低5%～30%0％廢氣SI范圍HCCI范圍75％廢氣SI40％廢氣20％廢氣SI-HCCIHCSISCSISICIHCCISCSI

>>1

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=1

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>1EngineSpeedEngineLoad可燃氣廢氣虛擬可變排量廢氣稀釋燃燒在全部工況范圍內(nèi)通過全可變氣門機構(gòu)結(jié)合外部廢氣再循環(huán)，實現(xiàn)當量空燃比下廢氣稀釋的汽油機低溫高效燃燒。0％廢氣SI范圍HCCI范圍75％廢氣SI40％廢氣20％廢氣SI-HCCI2.拓展HCCI到更低的廢氣率3.實現(xiàn)稀釋條件下的SI1.拓展低溫燃燒到更低負荷消除燃燒模式轉(zhuǎn)換的問題實現(xiàn)負荷控制無縫銜接廢氣稀釋燃燒小大高低廢氣率負荷可燃氣廢氣虛擬可變排量

drive-by-exhaust廢氣對負荷的連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的連續(xù)性，系統(tǒng)的可控性HCCI原理樣機4*92mm,2.2L4個缸壓傳感器4個進氣壓力傳感器4個空燃比傳感器4個進氣道噴嘴4個直噴噴嘴外部EGR汽油機高效低溫燃燒的節(jié)油效果NEDC循環(huán)工況綜合節(jié)油15.6%節(jié)油17.5%節(jié)油10.5%節(jié)油6.7%節(jié)油5.3%怠速工況節(jié)油20%燃燒技術(shù)的創(chuàng)新仍然是節(jié)能的重要年技術(shù)途徑基于廢氣驅(qū)動的高效低溫燃燒是極具潛力、切實可行的汽油機節(jié)油技術(shù)。小結(jié)2.缸外節(jié)能－能量綜合利用內(nèi)燃機熱-電混合動力系統(tǒng)電動水泵電動風(fēng)扇ISG電機動能熱存儲朗肯循環(huán)動力渦輪熱電材料發(fā)電機電動機發(fā)電機余壓能余熱余熱蓄電池運行循環(huán)內(nèi)燃機車輛道路燃油曲軸機械能熱存儲冷卻水規(guī)劃、協(xié)調(diào)、控制能源網(wǎng)絡(luò)特征：多梯級多路徑動態(tài)循環(huán)原理性樣機總能效率提高15%

內(nèi)燃機熱電復(fù)合能量系統(tǒng)全歷程仿真平臺發(fā)動機354kW整車總質(zhì)量28噸完整的能流路徑：產(chǎn)生-回收-存儲-使用可用于研究系統(tǒng)的動態(tài)效率特征以及系統(tǒng)之間的相互耦合影響規(guī)律完整的控制框架：可用于系統(tǒng)控制策略的研究與優(yōu)化，研究能流路徑之間的動態(tài)規(guī)劃道路工況數(shù)據(jù)庫：可用于研究不同道路工況的能量回收和使用特性完整的運行過程：

動態(tài)運行循環(huán)全歷程概念：動力渦輪系統(tǒng)的效率評價（設(shè)計域—運行域—控制域）

電輔助純電動并聯(lián)串聯(lián)運行域：運行工況的影響1900rpm全負荷，不同動力渦輪效率對比原機電輔助串聯(lián)純電動并聯(lián)運行效率65.40%62.20%62.40%70.30%轉(zhuǎn)化效率24.10%15.70%22.70%16.70%總能效率41.60%44.40%42%43.80%43.40%總能效率提升6.73%1.00%5.30%4.30%設(shè)計域:結(jié)構(gòu)形式的影響控制域：控制參數(shù)的影響渦前壓力控制運行HUDDS電輔助動力渦輪無控制跟蹤效果差有控制跟蹤效果好總能效率提升6.60%8.20%運行效率和轉(zhuǎn)化效率共同影響系統(tǒng)總能效率。電輔助渦輪總能效率最高，總能效率提升6.73%。運行工況不同總能效率發(fā)生改變。電輔助渦輪總能效率在公交工況可提升8%。

朗肯循環(huán)系統(tǒng)的效率評價（設(shè)計域—運行域—控制域）額定點工況2100rpm100%load蒸發(fā)壓力30bar過熱度10K冷凝壓力3bar轉(zhuǎn)換效率7.55%轉(zhuǎn)換效率6.54%轉(zhuǎn)換效率5.58%運行工況的影響（1）朗肯循環(huán)對點工況具有較好的適應(yīng)性，工作模式和功率輸出更加平穩(wěn)，能量回收效率較高；

道路工況下加減速比例越大，轉(zhuǎn)化效率越低。（2）提高蒸發(fā)器熱容量，利于減小朗肯循環(huán)工作模式和功率輸出的波動，提高轉(zhuǎn)化效率。高速工況公交工況運行域轉(zhuǎn)換效率6.05%轉(zhuǎn)換效率7.55%轉(zhuǎn)換效率6.85%熱容量14kJ/K熱容量56kJ/K設(shè)計域設(shè)計參數(shù)的影響HUDDSHUDDS工質(zhì)流量固定，蒸發(fā)溫度不控制調(diào)節(jié)工質(zhì)流量，控制蒸發(fā)溫度做功模式所占的時間比例32.72%轉(zhuǎn)換效率3.53%轉(zhuǎn)換效率5.25%做功模式所占的時間比例79.91%（1）道路工況條件下，控制品質(zhì)對朗肯循環(huán)的能量回收效率有很大影響；（2）系統(tǒng)關(guān)鍵部件必須具備一定的可調(diào)節(jié)能力：工質(zhì)泵：在不顯著改變揚程的前提下，大范圍調(diào)節(jié)流量——控制蒸發(fā)溫度膨脹機：膨脹機能夠調(diào)節(jié)耗汽量，適應(yīng)蒸汽量的變化——控制蒸發(fā)壓力

朗肯循環(huán)系統(tǒng)的效率評價（設(shè)計域—運行域—控制域）熱電直接轉(zhuǎn)換裝置的效率評價換熱系數(shù)/W/(m^2*k)9060平均運行效率/%5.142.56循環(huán)發(fā)電量/kJ128.272.55換熱系數(shù)的影響設(shè)計域運行工況的影響運行域冷源溫度控制的影響控制域換熱系數(shù)從90->60W/(m^2*k)，循環(huán)發(fā)電量降低了43.4%，平均運行效率降低了50.2%。運行工況泰達公交HUDDS平均運行效率/%5.495.14平均發(fā)電功率/W140.2118.6與HUDDS工況相比，泰達公交工況平均運行效率提高6.8%，平均發(fā)電功率提高18.2%。冷源溫度50℃25℃平均運行效率/%4.395.14循環(huán)發(fā)電量/kJ85.88128.2冷源溫度從50->25℃，循環(huán)發(fā)電量提高了49.3%，平均運行效率提高了17.1%。HUDDS換熱系數(shù)90HUDDS材料：HZ-20Bi2Te3鋪設(shè)面積：0.35m^2主動熱管理系統(tǒng)的效率評價設(shè)計域附件形式總能效率%回收能量使用率%機械附件00電動風(fēng)扇+機械水泵2.8224.04電動風(fēng)扇+電動水泵2.925.69目標水溫運行效率%總能效率%回收能量使用率%360K274.85.239.91368K16605.26.6電動附件可以有效提高總能效率和回收能量使用率運行域控制域運行效率隨運行工況

變化明顯在兩種工況下

運行效率均大于100%

（收益大于代價）降低目標水溫，可顯著提高回收能量利用率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響運行工況的影響控制參數(shù)的影響

ISG電驅(qū)動系統(tǒng)的效率評價（設(shè)計域—運行域—控制域）

制動能增加，電輔助驅(qū)動的總能效率和電驅(qū)動貢獻率將提高運行工況總能效率17.85%總能效率7.44%總能效率5.58%總能效率10.93%加速工況比例和平均車速能夠提高總能效率制動回收比例電回收=0%電回收=0%電回收=14.48%電回收=11.22%基于效率模型的控制器及驗證（動力渦輪－電動風(fēng)扇系統(tǒng)）原機無渦前壓力及出口水溫控制渦前壓力及出口水溫優(yōu)化控制總能效率35.10%37.40%38.10%總能效率改進6.6%8.6%基于全歷程總能效率優(yōu)化控制可實現(xiàn)能量回收—存儲—運用的協(xié)調(diào)管理，相對總能效率提高8.6%。HUDDS工況下最佳渦前壓力跟隨效果余熱能利用具有誘人的節(jié)能潛力但需要先進的技術(shù)手段，裝置和控制小結(jié)3.路上節(jié)能的潛力城市公交道路節(jié)能技術(shù)探討司機特性對油耗的影響TitleandSubtitle:AnalyzingVehicleFuelSavingOpportunitiesthroughIntelligentDriverFeedback（SAE2012-01-0494）Performingorganization:NationalRenewableEnergyLaboratory實驗條件：城市工況與高速工況兩名司機MercedesC100OBD@1s油耗通過仿真模型得出每個人以三種風(fēng)格駕駛城市工況下30%油耗差距高速工況下17%油耗差距NationalRenewableEnergyLaboratory司機特性對油耗的影響Eco-Driving:Strategic,Tactical,andOperationalDecisionsoftheDriverthatImproveVehicleFuelEconomyPerformingorganization:UniversityofMichigan優(yōu)化駕駛風(fēng)格措施節(jié)油潛力最大！道路工況對油耗的影響工況節(jié)油工況節(jié)油潛力和因素分析坡度信息節(jié)油紅綠燈節(jié)油速度和加速度限制優(yōu)化4%—5%3.8-22.2%4.5%-16.44%>=34%公交車輛道路節(jié)油技術(shù)途徑能量利用率僅為

15%-25%速度

km/h主動輪功率

kW時間低負載、低效率運轉(zhuǎn)怠速燃料的浪費剎車能量白白消耗時間進站遇紅燈進彎道出站變綠燈出彎道合理分布發(fā)動機運行工況點觀測路況，優(yōu)化減速，減少制動培訓(xùn)司機習(xí)慣實時提示司機依據(jù)線路需求選擇發(fā)動機和傳動優(yōu)化駕駛行為優(yōu)化工況分布規(guī)劃速度曲線，設(shè)置滑行策略依據(jù)線路特征配置ECU控制參數(shù)公交節(jié)油技術(shù)路線“四層三縱”O(jiān)BD整車CAN數(shù)據(jù)采集平臺數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)重構(gòu)司機特征分析道路特征分析車輛建模分析65個站點標定25紅綠燈標定特征速度走廊數(shù)據(jù)濾波S1939解析檔位重構(gòu)負載重構(gòu)坡度重構(gòu)離合重構(gòu)數(shù)據(jù)存儲典型特征工況數(shù)據(jù)回放駕駛特征參數(shù)司機駕駛模型司機特性辨識駕駛行為綜合評價駕駛提示輔助節(jié)油駕駛風(fēng)格油耗27個彎道標定工況油耗關(guān)系司機工況模型宇通ZK6902模型數(shù)據(jù)-模型互標定工況辨識節(jié)油工況自學(xué)習(xí)適應(yīng)算法節(jié)油進出站提示節(jié)油坡度預(yù)測提示節(jié)油工況車型匹配節(jié)油司機辨識輔助節(jié)油發(fā)動機車型匹配節(jié)油L1數(shù)據(jù)采集L2數(shù)據(jù)處理L3油耗特性L4節(jié)油優(yōu)化司機駕駛優(yōu)化工況特征優(yōu)化整車匹配優(yōu)化采集整車CAN消息、GPS、地圖等信息對采集的直接數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除錯誤數(shù)據(jù)，還原間接測量量針對影響整車油耗的司機駕駛特征、道路工況特征和整車集成配置形成主體分析群對油耗影響的司機特征、道路特征和整車匹配設(shè)計標定提供針對的節(jié)油方案研究平臺–數(shù)據(jù)采集及運行監(jiān)控實時解析、監(jiān)控、顯示信息終端采集的數(shù)據(jù)，并可以對車速、踏板、轉(zhuǎn)速、小時油耗等信息進行繪圖。多車同步跟蹤實車數(shù)據(jù)監(jiān)控車輛信息可配置網(wǎng)絡(luò)地圖實時跟蹤研究平臺—數(shù)據(jù)管理及分析優(yōu)化Internet實時監(jiān)控平臺統(tǒng)計分析平臺整車仿真平臺人-車-路數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心省會市區(qū)省會郊區(qū)直轄市三線城市車輛行駛規(guī)劃司機行為優(yōu)化線路特征分析研究對象—503路柴油公交客車車輛宇通ZK6902HGA玉柴YC6J200-42名稱技術(shù)參數(shù)整備質(zhì)量9000kg迎風(fēng)面積7.79m2變速箱5檔手動機械變速箱型式立式直列水冷四沖程缸數(shù)6缸徑×行程105mm×125mm排量6.949L額定功率147kW額定功率轉(zhuǎn)速2100r/min道路503線路輕軌東海路-天津西站北廣場司機9206,9209,9221三輛車6位司機司機車輛號駕齡A1922110年A292219年B1920613年B2920616年C1920925年C2920916年503路張波師傅研究條件—大量實際運行數(shù)據(jù)監(jiān)控時間：2012年5月7號至2013年5月8號，歷時366天，涵蓋春季、夏季（空調(diào)）、秋季、冬季（暖風(fēng)）監(jiān)控車輛：公交三公司9206號、9209號、9221號柴油公交客車監(jiān)控線路：503線路，跨濱海新區(qū)（城郊）—東麗區(qū)（高速）—河西區(qū)-和平區(qū)-南開區(qū)-紅橋區(qū)（市區(qū)），三種典型路況監(jiān)控數(shù)據(jù)：累計運行里程77672.4km，平均百公里油耗26.55L/100km，其中城郊路段百公里油耗29.14L/100km，高速路段21.06L/100km，市區(qū)路段29.76L/100km監(jiān)控車輛3監(jiān)控時間3106.9h監(jiān)控里程77672.4km數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)獲得完整的人、車、路信息油耗重構(gòu)技術(shù)駕駛操作重構(gòu)技術(shù)負載重構(gòu)技術(shù)里程測量算法彎道和坡度辨識算法對原車不做任何改動典型結(jié)果司機操作優(yōu)化手段-控制參數(shù)優(yōu)化目標手段效果駕駛行為不變，平均油耗節(jié)約8.4%司機駕駛行為優(yōu)化–定向培訓(xùn)指導(dǎo)針對每個司機各個工況下的實際操作特征，提供定向的駕駛操作培訓(xùn)指導(dǎo)。

仿真結(jié)果表明，高速段實際司機駕駛的速度曲線其百公里油耗為20.76L/100km，指導(dǎo)后的速度仿真油耗值18.96L/100km，節(jié)油效果達到了8.42%。1、2檔換3檔的速度由11km/h調(diào)整到13km/h;2、3檔換4檔的速度由21km/h調(diào)整到