中國清潔柴油車技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢簡化

中國清潔柴油車技術發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢同濟大學汽車學院

樓狄明博士教授博導

2015.10.22目錄一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展二、新一代清潔柴油車發(fā)展思考技術領域研究方向課題名稱先進發(fā)動機技術（15個）增壓直噴汽油發(fā)動機（3個）缸內直噴汽油機的研發(fā)與產業(yè)化新一代小排量高效增壓直噴汽油機開發(fā)

中高級轎車用先進增壓直噴汽油機技術研究高壓共軌柴油發(fā)動機（6個）高壓共軌轎車柴油機開發(fā)節(jié)能環(huán)保高效轎車柴油機研發(fā)高壓共軌重型柴油機關鍵技術研究柴油機電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)輕型車用電控高壓共軌柴油機開發(fā)中重型高功率密度高效清潔柴油機關鍵技術均質燃燒發(fā)動機（2個）基于柴油機均質壓燃發(fā)動機關鍵技術攻關及樣機研制基于汽油機均質壓燃（HCCI）汽油發(fā)動機及整車研發(fā)替代燃料發(fā)動機（4個）下一代天然氣發(fā)動機關鍵技術與產品開發(fā)甲醇柴油雙燃料重型柴油機關鍵技術研究國V排放生物柴油專用發(fā)動機關鍵技術研究國Ⅵ標準電控二甲醚車用發(fā)動機的研究自動變速器技術（4個）CVT自動變速器（1個）混合動力汽車無級自動變速器（CVT）關鍵技術研發(fā)雙離合自動變速器（2個）乘用車雙離合自動變速器平臺產品研發(fā)雙離合器自動變速器產業(yè)化技術開發(fā)AT自動變速器（1個）大功率AT變速器研發(fā)柴油機后處理技術（2個）柴油機NOX和PM后處理（2個）柴油機后處理系統(tǒng)（SCR）關鍵技術研發(fā)及產業(yè)化滿足歐Ⅵ排放標準的柴油機后處理關鍵技術研究項目下設21個課題，按課題技術領域分，可分為先進發(fā)動機技術、自動變速器技術和柴油機后處理技術三個研究領域。先進發(fā)動機技術領域設15個課題，自動變速器領域設4個課題，柴油機后處理技術領域設2個課題。

1.背景介紹一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展I發(fā)動機零部件及燃燒系統(tǒng)設計優(yōu)化：零部件輕量化設計，零部件低噪聲結構設計，燃燒室形狀優(yōu)化設計，氣道優(yōu)化設計II高壓共軌柴油機電控系統(tǒng)開發(fā)：自主ECU軟硬件開發(fā)，應用層軟件控制策略。IIIDPF設計開發(fā)應用：DPF仿真優(yōu)化設計，DPF再生策略研發(fā)，DPF臺架標定，DPF整車標定IV柴油乘用車智能起停技術開發(fā)應用：智能啟停系統(tǒng)詳細設計及制造，智能啟停策略開發(fā)，智能起停標定及驗證整機技術水平：具有自主知識產權、整車排放達到國V標準，實現(xiàn)整車燃油消耗量較國家第三階段油耗標準低15%。2.乘用車用高壓共軌柴油機一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展主要考核指標：升功率，≥50kW/L升扭矩，160N·m/L綜合比油耗，≤205g/(kW·h)排放標準，國V10臺樣機，3臺樣車主要考核指標：升功率，≥50kW/L升扭矩，160N·m/L綜合比油耗，≤205g/(kW·h)排放標準，國V10臺樣機，3臺樣車主要考核指標：升功率，≥50kW/L升扭矩，160N·m/L綜合比油耗，≤205g/(kW·h)排放標準，國V10臺樣機，3臺樣車主要完成指標：升功率，55kW/L升扭矩，160N·m/L綜合比油耗，203.7g/(kW·h)排放標準，國V10臺樣機，3臺樣車主要完成指標：升功率，57kW/L升扭矩，175N·m/L綜合比油耗，204.2g/(kW·h)排放標準，國V12臺樣機，8臺樣車主要完成指標：升功率，54kW/L升扭矩，162N·m/L綜合比油耗，204.3g/(kW·h)排放標準，國V13臺樣機，3臺樣車長城2.0L乘用車柴油機奇瑞2.0L乘用車柴油機云內1.85L乘用柴油機2.乘用車用高壓共軌柴油機-產品一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展I高壓共軌燃油系統(tǒng)關鍵零部件開發(fā)：高壓油泵、共軌管、噴油器總成的開發(fā)，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)測試與評價標準平臺II柴油機電控系統(tǒng)開發(fā)及關鍵技術研究：電控單元ECU的硬件平臺，基礎軟件庫和控制策略，滿足國V、歐VI階段的功能性和可靠性要求III高強度的柴油機結構及關鍵部件設計開發(fā)：適合于高爆壓和高熱負荷的歐Ⅵ重型柴油機結構設計，燃燒系統(tǒng)及燃燒室設計IV后處理系統(tǒng)匹配與集成控制技術：高效DPF再生催化劑和SCR催化劑開發(fā)，DOC+DPF+SCR的封裝集成及控制技術VEGR與增壓系統(tǒng)的匹配與控制技術：高壓比渦輪增壓系統(tǒng)及其控制策略開發(fā)，冷卻EGR技術的研發(fā)，基于模型的EGR/增壓系統(tǒng)耦合控制整機技術水平：具有自主知識產權，滿足歐VI排放標準的高壓共軌商用車柴油機。3.高壓共軌商用車柴油機一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展主要考核指標：噴射壓力，180MPa噴射次數(shù)，5次最高需用發(fā)動機轉速，4800r/min排放標準，國V搭載樣機3臺主要考核指標：標定功率/轉速，≥350/2100(kW/(r/min))最大扭矩/轉速，≥2000/1200(kW/(r/min))升功率，≥30N·m/(r/min)綜合比油耗，≤205g/(kW·h)排放標準，歐Ⅵ樣機5臺主要考核指標：標定功率/轉速，≥265/2300(kW/(r/min))最大扭矩，≥1200N·m最低燃油消耗率，195g/(kW·h)綜合比油耗，≤205g/(kW·h)排放標準，國V樣機5臺主要完成指標：噴射壓力，180MPa噴射次數(shù)，5次最高需用發(fā)動機轉速，4800r/min排放標準，國V搭載樣機3臺主要完成指標：標定功率/轉速，352.3/2100(kW/(r/min))最大扭矩/轉速，2012/1200(kW/(r/min))升功率，30.4N·m/(r/min)綜合比油耗，203.3g/(kW·h)排放標準，歐VI樣機5臺，樣車1輛主要完成指標：標定功率/轉速，265.6/2300(kW/(r/min))最大扭矩，1201.1N·m最低燃油消耗率193.7g/(kW·h)綜合比油耗，203.3g/(kW·h)排放標準，國V樣機6臺，樣車1輛新風高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)濰柴動力12L柴油機兵器集團7L柴油機3.高壓共軌商用車柴油機-產品一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展I歐VI標準柴油機尾氣凈化系統(tǒng)用催化劑及載體開發(fā)：無毒性SCR催化劑技術，新型DOC催化劑涂覆技術，新型DPF涂層和大尺寸載體技術II后處理關鍵零部件及控制技術開發(fā)：SCR系統(tǒng)關鍵技術，大流量EGR閥及控制技術，NOX傳感器開發(fā)，DPF再生燃油噴射控制技術III后處理系統(tǒng)集成開發(fā)：后處理系統(tǒng)集成模型仿真，后處理系統(tǒng)匹配標定技術，OBD診斷策略技術開發(fā)后處理技術水平：催化劑性能、后處理關鍵零部件性能等達到國際同期同類產品水平，后處理技術整體水平達到歐VI排放標準。4.柴油機NOX和PM后處理技術一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展4.柴油機NOX和PM后處理技術-產品及產業(yè)化能力催化劑及載體性能關鍵零部件技術系統(tǒng)集成匹配及產業(yè)化能力建設主要考核指標：SCR催化劑，200℃時，NOX轉化率≥50%；300℃以上，NOX轉化率≥90%DOC催化劑滿足230-350℃，60%≥NO2轉換率≥40%，C3H8(T50)≤270℃大尺寸載體達到13英寸，熱膨脹系數(shù)小于0.9×10-6/℃主要考核指標：SCR尿素噴射系統(tǒng)在9bar壓力下，最大尿素噴射量8L/hEGR率≥50%，EGR閥開啟和關閉響應時間≤50msNOX傳感器測量精度10ppm，響應時間T90≤1s，溫度0-800℃，量程0-2000ppm主要完成指標：SCR催化劑完成考核指標DOC催化劑滿足230-350℃下60%≥NO2≥40%；C3H8（T50)≤270℃大載體直徑達到13英寸，熱膨脹系數(shù)0.86×10-6/℃主要完成指標：SCR尿素噴射系統(tǒng)在9bar壓力下，尿素噴射量大于8L/hEGR率≥50%，EGR閥開啟和關閉響應時間＜50ms完成滿足考核指標、擁有自主知識產權的SCR系統(tǒng)、EGR系統(tǒng)集成、NOX傳感器NOX傳感器EGR閥SCR噴射器建立年產1200萬升SCR催化劑生產線建立年產300萬升堇青石載體生產線建立年產50萬套后處理總成生產線一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展IHCCI柴油機技術：增壓系統(tǒng)匹配，燃燒室匹配，EGR控制策略IIHCCI柴油機后處理：后處理系統(tǒng)集成，SCR控制，DPF控制整機技術水平：柴油機排放分別達到歐VI，燃油經濟性達到國際先進水平，關鍵技術具有自主知識產權。5.均質壓燃柴油機技術一、“十二五”我國清潔柴油車技術研發(fā)進展玉柴YC6L均質壓燃柴油油機濰柴WP12均質壓燃柴油油機主要考核指標：最低燃油消耗率，≤190g/kWh噪音，≤95dB(A)排放水平，歐VI1臺樣機主要考核指標：最低燃油消耗率，≤190g/kWh噪音，≤95dB(A)排放水平，歐VI1臺樣機主要完成指標：最低燃油消耗率，189g/kWh噪音，94.7dB(A)排放水平，歐VI1臺樣機主要完成指標：最低燃油消耗率，189.8g/kWh噪音，94.9dB(A)排放水平，歐VI1臺樣機5.均質壓燃柴油油機技術-產品一、“十二五”我國清潔柴油油車技術研發(fā)發(fā)進展目錄一、“十二五”我國清潔柴油油車技術研發(fā)發(fā)進展二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考重載商用車能能源消耗數(shù)據(jù)來源：2010-2014年中國統(tǒng)計年年鑒我國汽車油耗耗占石油年消消耗總量的一一半左右，而而汽車油耗的的48.28%是被只占汽車車總量13.9%的重載商用車（＞3.5T）消耗掉的。二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考1.我國重型商商用車技術術現(xiàn)狀汽車工業(yè)尾尾氣排放標標準我國目前排排放標準與與美國、歐歐盟存在較較大差距。。1.我國重型商商用車技術術現(xiàn)狀二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考40制動性參數(shù)數(shù)204534整車美國中國升功率（kW/L）排放壽命（萬公公里)EPA2010國IV16080油耗(L/100Km)發(fā)動機最高車速(Km/h)0-85Km/h加加速時間(s)直接檔最大大爬坡度加速行駛噪噪聲(dB(A))12547.5FMVSS(2015)2.1%80110522.5%84GB7258(2015)1.我國重型商商用車技術術現(xiàn)狀51%41%熱效率(%)二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考低油耗：≤20L/100km低排放:歐VI標準（國VI標準）低噪聲:≤80dB(A)（通過性噪噪聲）高熱效率：50%-55%（發(fā)動機））2.新一代清潔潔重型商用用車技術目目標建議“三低一高高”二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考OrganicRankinecycle有機朗肯循循環(huán)Turbocompound復合渦輪WasteHeatRecovery廢熱回收OptimizedPistonBowl活塞燃燒室室優(yōu)化OptimizedInjector噴油器優(yōu)化化Dual-fuel雙燃料技術術Low-temperaturecombustion(LTC)低溫預混合合燃燒Turbocharger增壓系統(tǒng)AdvancedCombustion先進燃燒技技術>20%FuelConsumptionImprovement,50~55%BTE油耗改進>20%,熱效率50–55%Aftertreatment后后處理理EGR廢氣再循環(huán)環(huán)Urea-SCR尿素-選擇性催化化還原DPF顆粒捕集器器Friction&Accessory摩擦和附件件VariableGeometryTurbocharger可變截面渦渦輪增壓器器技術Two-Stageturbocharging兩級增壓技技術Frictionreduction低摩擦技術術VariableAccessories可變附件技技術3.新一代清潔潔柴油機技技術路徑二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考B.Turbocompound復合渦輪RelativelygoodBSFCreduction較好的BSFC特性Relativesimplicityandlowcost結構簡單，，成本低Highexhaustback-pressure背壓高NoBSFCbenefitatsomelowloads部分低負荷荷工況BSFC效益低Lowturbineefficiencywithcommontechnology渦輪效率低低GoodBSFCreduction優(yōu)良的BSFC特性Nointeractionwithengine與發(fā)動機無無關聯(lián)Lowerheat-exchangerarea減小換熱器器面積Complexityandcost結構復雜，，成本高Workingfluidtoxicity工作介質有有毒性Advantages優(yōu)點Advantages優(yōu)點Disadvantages缺點Disadvantages缺點A.OrganicRankinecycle有機朗肯循循環(huán)3.1廢熱回收技技術二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考C.Mechanical機械式D.Electrical電氣式Advantages優(yōu)點Disadvantages缺點Lowpowerlossbydirectmechanicalconnection功率損失低Nobatteriesore-motorrequired不需要電機和和電池Noenergystoragemethod能量無法存儲儲Energyproducedmaynotmatchpowerdemand不滿足動力需需求Slowerexpanderortransmissionrequired需要變速器Energystoragepossible實現(xiàn)能量存儲儲Energyfeedbackaccordingtovehiclepowerdemand車輛功率要求求反饋調節(jié)Lossesconvertingmechanicalpowertoelectricalandback機電轉化功率率損失Requirese-motor需要電機Advantages優(yōu)點Disadvantages缺點3.1廢熱回收技術術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考TechnicalOptionsforWHRWHR技術選項

DaimlerNavistarCumminsVolvoWasteHeatRecovery

廢熱回收技術ORC

●

Tuco+ORC●●

●PowerFeedbackType

能量回收形式Mechanical機械式

●

Electrical電氣式●●

Tuco:Turbo-compounding復合渦輪ORC:OrganicRankinecycle有機朗肯循環(huán)環(huán)典型的廢熱回回收技術3.1廢熱回收技術術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考原理樣機研制，系統(tǒng)集成驗證系統(tǒng)建模，模擬分析，理論研究搭建裝置，測試分析，驗證理論1.新型可控熱力循環(huán)研究4.

附加膨脹室余壓能轉化3.

復合渦輪余壓能轉化2.

熱電材料高效熱電轉化技術方案高效、節(jié)能、低碳內燃機余熱能梯級利用基礎研究國家重大需求技術特征熱能流轉化動能流轉化回收能利用5.

熱電內燃機混合能量管理6.

氣動-內燃機混合能量管理技術途徑理論層面：理論創(chuàng)新技術層面：技術創(chuàng)新系統(tǒng)層面：原理創(chuàng)新3.1廢熱回收技術術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考Lowviscosityoil采用低粘度潤滑油Optimizedpistons,pistonrings,cylinderkit,etc活塞、活塞環(huán)環(huán)、缸套等優(yōu)優(yōu)化FMEPreduced,mechanicalefficiencyimproved通過摩擦降低低，提高機械械效率。A.Frictionreduction低摩擦技術3.2摩擦和附件技技術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考Variablespeedwaterpump變速水泵Variableoilpump可變機油泵BTEimprovementwithvariabledisplacementoilpumpandvariablespeedwaterpump應用可變機油油泵和變速水水泵后，發(fā)動動機熱效率提提高。B.VariableAccessories可變附件技術術3.2摩擦和附件技技術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考Increasecompressionratio(CR)提高壓縮比PistonBowlgeometryoptimization--GeneticAlgorithm(GA)燃燒室結構優(yōu)優(yōu)化--遺傳算法B.OptimizedInjector噴油器優(yōu)化A.OptimizedPistonBowl活塞燃燒室優(yōu)化Robustcavitationdesign穩(wěn)定的氣穴設設計Heatreleaseimprovements改進散熱ΔBTEimpact:+1.3%3.3先進燃燒技術術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考PCCI預混合壓燃技術術HCCI均質充量壓燃技術術RCCI燃油活性控制壓燃燃技術NaturalGas(NG)-dieselRCCIEthanol-DieselRCCIC.Low-temperaturecombustion(LTC)低溫燃燒LTCcanreduceNOxandPMatthesametimeLTC技術能夠同時時降低NOx和PM3.3先進燃燒技術術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考NG-DieselDF天然氣-柴油雙燃料Ethanol-DieselDF乙醇-柴油雙燃料Advantages技術優(yōu)勢Fuelefficiencyimprovement提高燃油效率率Replacementofdiesel替代柴油燃料料Reductioninsootandengine-out(EO)NOx減少顆粒物和和NOx排放Features特點Lowerheattransfer低的傳熱性Controlburnduration控制燃燒持續(xù)續(xù)期Increaseeffectiveexpansion增加有效膨脹脹D.Dual-fuel雙燃料技術3.3先進燃燒技術術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考LowerNOx降低NOx排放higherPMandlessfueleconomy增加PM,降低燃油經濟性HPL-EGR高壓EGREasiertoimplement容易實施Recirculatedexhaustisdirty再循環(huán)廢氣不不干凈MoredifficulttodistributeEGRevenlytoallcylinders將EGR分配給各個氣氣缸困難LPL-EGR低壓EGRMoreNOxreduction,lessenginewearNOx降低更多，更更少發(fā)動機磨磨損Morecomplicatedandexpensivetoimplement實施復雜，成成本更高RequiresaPMfilter需要PM過濾器A.EGR廢氣再循環(huán)3.4后處理技術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考Excellentthermalstability卓越熱穩(wěn)定性性HighNOxconversionrate高的NOx轉化率B.Urea-SCR尿素-選擇催化還原原技術DOCDPFSCR3.4后處理技術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考C.DPF顆粒捕集器DPFStructureDPF結構Flow-throughDPF(DOC)(≥25%,mass)減少顆粒物排放25%以上Partial-flowDPF(≥≥50%,mass)減少顆粒物排放50%以上Wall-flowDPF(≥≥85%,mass)減少顆粒物排排放85%以上DPFregenerationDPF再生Activeregeneration主動再生–extraenergyrequired(toraisetemperature)需要額外能量量來提高溫度度Passiveregeneration被動再生–Noextraenergyrequired,withorwithoutadditives不需要額外能能量，可能需需要附加劑3.4后處理技術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考awideflowrangeallowinghigher

boostpressuresat

lowenginespeeds在低速時高增增壓壓力的大大范圍流量調調節(jié)Increasedusableenginespeedrange增加可用的發(fā)發(fā)動機轉速范范圍Increasedlowspeedtorque提高低轉速扭扭矩ReducingTransientResponsetime減少瞬態(tài)響應應時間fewergearchangesandcanreducetruckfuelbills更少的換檔時時間和油耗LessResponsetime更少的響應時間間A.VariableGeometryTurbocharger(VGT)可變截面渦輪輪增壓器技術術3.5增壓技術二、新一代清清潔柴油車發(fā)發(fā)展思考Advantages優(yōu)勢Enableshigherenginehorsepowerdensityforenginedownsizingandincreasedpowerlevels在發(fā)動機小型型化和功率率增加的情情況下，提高發(fā)動機功率率密度Efficientultra-highboostingcapabilitywithfewerturbolimitations減少限制因素，，實現(xiàn)有效效的超高增增壓Extendedairflowrangeflexibility擴展了空氣流量量范圍的靈靈活性Superioraltitudeaircapabilities卓越的高海拔空空氣適應能能力Reducedairhandlingcontrolcomplexity降低換氣控制的的復雜性B.Two-Stageturbochargerwithintercooler兩級增壓技技術3.5增壓技術二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考AdvancedTurbochargers先進的增壓技術VGT可變截面渦輪增壓器2-StageTurbocharger兩級渦輪增壓器Materials材料Mechatronics

機電一體化AerodynamicDesign空氣動力學設計ComputationalFluidDynamics(CFD)計算流體力學SimulationandMatching

模擬與匹配Noise,VibrationandHarshness(NVH)噪聲、振動和平順性StressFatigue&ThermalAnalysis應力疲勞和熱分析Bearings軸承3.5增壓技術二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考Theapplicationofhybridsystemonheavydutytruckswillbring10%decreasetofuelconsumptionwhichissignificanttoChina’senergysituation.對于重型商用車車，混合動動力系統(tǒng)的的應用能夠夠改進約10%的油耗，對對于中國的的能源現(xiàn)狀狀具有重要要意義。4.新一代清潔潔柴油車技技術路徑（（混合動力力）二、新一代代清潔柴油油車發(fā)展思思考SeriesModeEnginenotdirectlyconnectedtodrivewheelsParallelModeLowrange,tractionmotorANDgeneratorengagedParallelModeLowrange,tractionmotordisengaged,generatorengagedNeutral

ParallelMode