內(nèi)燃機(jī)效率及其潛在技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)效率及其潛在技術(shù)蘇萬(wàn)華教授/院士天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2012.05.23

2012中國(guó)商用車柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展研討會(huì)提高內(nèi)燃機(jī)熱效率的重要意義關(guān)于柴油機(jī)/內(nèi)燃機(jī)熱效率的極限的討論典型的技術(shù)和技術(shù)路線結(jié)論主要內(nèi)容內(nèi)燃機(jī)在未來(lái)幾十年仍將是移動(dòng)式動(dòng)力裝置的主要原動(dòng)機(jī)[1,2]。提高內(nèi)燃機(jī)效率可以有效減少石油供應(yīng)緊張的壓力，緩解由于CO2排放帶來(lái)的環(huán)境壓力。近幾年CO2排放帶來(lái)的氣候變化問(wèn)題受到廣泛關(guān)注。提高內(nèi)燃機(jī)效率已經(jīng)替代內(nèi)燃機(jī)排放控制成為內(nèi)燃機(jī)技術(shù)最具挑戰(zhàn)的課題。1.提高內(nèi)燃機(jī)效率的重要意義有害氣體排放物已經(jīng)減少98%以上：發(fā)動(dòng)機(jī)排出的NOx、PM、uHC、CO污染物大幅度減少CO2是最主要排放物提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性成為新的挑戰(zhàn)CO2減排將是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要影響因素石油資源可提供50-100年？政治沖突的根源；石油問(wèn)題可以嚴(yán)重地影響經(jīng)濟(jì)；未來(lái)的發(fā)展除了受排放法規(guī)影響之外之外，重要因素是燃料的供給和價(jià)格；CO2減排和氣候變化CO2減排——?dú)夂蜃兓?；城市大氣污染；能源安全；通過(guò)提高內(nèi)燃機(jī)效率和石油燃料替代可望在2050年內(nèi)燃機(jī)保有量增加一倍時(shí)石油消耗量不變2007年歐盟頒布了強(qiáng)制性汽車CO2排放法規(guī):2012年轎車的CO2平均排放低于130g/km（Regulation’(EC)NO.715/2007）2015年低于95g/km2014-2017年輕型商用車的CO2排放比2007年降低14%，2020年進(jìn)一步減少28%，達(dá)到147g/km;美國(guó)能源部也要求大幅度提高內(nèi)燃機(jī)效率，2020年重型柴油機(jī)熱效率由當(dāng)前的40%提高到55%;我國(guó)也在進(jìn)一步完善車輛燃油消耗法規(guī)，但與上述國(guó)際先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)油耗法規(guī)存在很大差距。各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)提高內(nèi)燃機(jī)和車輛效率的強(qiáng)制規(guī)定2.關(guān)于柴油機(jī)/內(nèi)燃機(jī)熱效率的極限的討論閉口循環(huán)必須將工質(zhì)的熱量釋放至環(huán)境卡諾循環(huán)：引自：開口系統(tǒng)，有化學(xué)過(guò)程，氣體交換過(guò)程沒(méi)有把熱量排給環(huán)境實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)循環(huán)的要求理論上：實(shí)際上：摩擦、燃燒的不可逆損失；材料；成本等限制內(nèi)燃機(jī)循環(huán)美國(guó)橡樹國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的C.S.Daw[8]等人在2010年美國(guó)汽車研究委員會(huì)（USCAR）舉辦的討論會(huì)議中指出：現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)因“非約束燃燒”損失20~25%的化學(xué)能

，而通過(guò)對(duì)現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)循環(huán)、內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)以及燃燒過(guò)程進(jìn)行“根本性”的改造，熱效率可達(dá)到85%。美國(guó)橡樹國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的DavidL.Greene以及美國(guó)田納西大學(xué)的HowardH.Baker[9]在2011年美國(guó)能源部舉辦的DEER年會(huì)上預(yù)測(cè)，2050年汽車效率可能提高到70%。2.關(guān)于柴油機(jī)/內(nèi)燃機(jī)熱效率的極限的討論2010年3月，在美國(guó)能源部要求下召開的美國(guó)汽車研究委員會(huì)（USCAR）學(xué)術(shù)會(huì)議綜合了29位權(quán)威專家的意見，形成了“關(guān)于車用內(nèi)燃機(jī)效率的總結(jié)報(bào)告”，其結(jié)論是：活塞式內(nèi)燃機(jī)最大有效熱效率，不考慮摩擦損失可以達(dá)到60%（當(dāng)前是40%或略高）；現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)由于非約束（非平衡）的燃燒過(guò)程造成損失約為20-25%；內(nèi)燃機(jī)經(jīng)過(guò)根本性改造，最大熱效率可望超過(guò)60%，但小于85%。至今尚無(wú)上述評(píng)估依據(jù)的細(xì)節(jié)的報(bào)道；我們已開始“火用”分析的研究參與內(nèi)燃機(jī)最大熱效率和技術(shù)途徑的研究。2.關(guān)于柴油機(jī)/內(nèi)燃機(jī)熱效率的極限的討論3.典型技術(shù)路線

（美國(guó)交通能源技術(shù)計(jì)劃）3.典型技術(shù)路線

（美國(guó)交通能源技術(shù)計(jì)劃）先進(jìn)燃燒技術(shù)，排放控制，余熱回收電動(dòng)，混合動(dòng)力系統(tǒng)（內(nèi)燃機(jī)，電池技術(shù)）生物燃料、燃料混合燃料1升乙醇可代替0.7升汽油先進(jìn)材料車重每減少10%（50%以內(nèi)），油耗減少6%-8%優(yōu)化動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)可變壓比全可變氣門代用燃料(CH4,H2,SynFuels)增壓，小型化均質(zhì)稀燃優(yōu)化氣體交換過(guò)程增加壓縮比，燃燒室結(jié)構(gòu)輕量化減少摩擦損失靈活高壓噴射傳統(tǒng)柴油機(jī)PPC部分預(yù)混壓燃燃燒典型的節(jié)能技術(shù)3.典型技術(shù)路線3.典型技術(shù)路線內(nèi)燃機(jī)智能控制技術(shù)發(fā)展智能型內(nèi)燃機(jī)是節(jié)能減排的重要技術(shù)。智能控制是把先進(jìn)燃燒技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)，控制技術(shù)緊密結(jié)合的新技術(shù)。先進(jìn)燃燒技術(shù)是核心和基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)像神經(jīng)中樞一樣，將燃燒控制的“思想”通過(guò)控制內(nèi)燃機(jī)的可變附件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)燃燒過(guò)程保持最優(yōu)的運(yùn)行狀態(tài)。現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)可變附件系統(tǒng)，包括可變進(jìn)排氣系統(tǒng)，可變?cè)鰤合到y(tǒng)，可變?nèi)加凸┙o系統(tǒng)等是智能內(nèi)燃機(jī)燃燒優(yōu)化的“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。1.可變附件系統(tǒng)△可變進(jìn)排氣門定時(shí)和升程△可變進(jìn)排氣管長(zhǎng)度△可變渦輪系統(tǒng)（T,S,2S,Se,....)△電控共軌燃油系統(tǒng)

—多脈沖噴射

—可變噴油壓力

—可變噴油規(guī)律△可變壓縮比△可變冷卻系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)智能控制技術(shù)要素（3）可變氣門機(jī)構(gòu)減少泵吸損失內(nèi)燃機(jī)智能控制技術(shù)要素（2）2.智能控制系統(tǒng)

△發(fā)動(dòng)機(jī)電子管理系統(tǒng)（ECU）△傳感器及信息處理技術(shù)△基于模型的控制技術(shù)△低成本閉環(huán)控制技術(shù)燃燒的控制缸內(nèi)溫度的動(dòng)態(tài)變化缸內(nèi)混合氣的自燃特性調(diào)整新鮮空氣溫度調(diào)整噴油時(shí)刻調(diào)整噴油壓力變化氣門定時(shí)變化壓縮比廢氣再循環(huán)多種特性的燃料混合燃料添加劑調(diào)整均質(zhì)程度(多次噴油)廢氣再循環(huán)燃燒控制的基本框圖內(nèi)燃機(jī)智能控制技術(shù)要素（3）CI發(fā)動(dòng)機(jī)混合和化學(xué)反應(yīng)率的協(xié)同控制柴油機(jī)燃燒過(guò)程狀態(tài)圖混合率與化學(xué)反應(yīng)率協(xié)同控制傳統(tǒng)柴油機(jī)燃燒“化學(xué)反應(yīng)率與混合率協(xié)同控制技術(shù)”：一方面開發(fā)混合率促進(jìn)技術(shù)；同時(shí)開發(fā)化學(xué)反應(yīng)率抑制技術(shù)；混合率促進(jìn)技術(shù)：增壓，燃油噴射系統(tǒng)，燃燒室等化學(xué)反應(yīng)率抑制技術(shù)：

EGR，燃油特性，IVCT高壓噴射共軌燃油系統(tǒng)在歐VI開發(fā)中為滿足減少NOx排放要求高達(dá)2600bar以上

的噴射壓力

共軌系統(tǒng)將是唯一的HD柴油機(jī)的燃油系統(tǒng)：髙噴射壓力，（已達(dá)到2500bar）；可實(shí)現(xiàn)希望的噴油規(guī)律，多次噴射；噴油壓力和噴油規(guī)律與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷無(wú)關(guān)；有利于解決加速性，低速扭矩，噪聲等性能匹配需要；與可變噴嘴（可變噴嘴孔直徑和數(shù)量）聯(lián)合使用，效果更佳。柴油機(jī)燃燒過(guò)程混合率與化學(xué)反應(yīng)率協(xié)同控制的工程化技術(shù)：3.兩級(jí)渦輪高增壓系統(tǒng)匹配和控制技術(shù)1.進(jìn)氣門推遲關(guān)閉系統(tǒng)2.高、低壓尾氣再循環(huán)（氧濃度控制）系統(tǒng)柴油機(jī)燃燒過(guò)程混合率與化學(xué)反應(yīng)率協(xié)同控制的工程化技術(shù)：4.多尺度高混合率燃燒室技術(shù)6.發(fā)動(dòng)機(jī)智能“協(xié)同”控制系統(tǒng)（硬件和軟件，控制策略）5.多脈沖靈活燃油噴射技術(shù)和高壓共軌燃油系統(tǒng)技術(shù)單次早噴預(yù)混燃燒策略 多脈沖噴射預(yù)混燃燒策略 高密度低溫燃燒策略平均指示壓力~0.5MPa ~1.1MPa ~2.2MPa

混合燃燒控制策略通過(guò)燃燒凈化達(dá)到國(guó)IV排放法規(guī)借助于燃料特性實(shí)現(xiàn)IMEP=26bar高負(fù)荷高效清潔燃燒汽油、柴油或石腦油高ON+高CN，改變比例和活性提高噴射壓力，有利于提高燃燒熱效率相同循環(huán)噴油量和燃燒相位時(shí)，隨著噴射壓力增大，指示熱效率增大。當(dāng)缸內(nèi)當(dāng)量比增大時(shí)，指示熱效率逐漸降低。不同當(dāng)量比下，ITEg隨噴射壓力的變化關(guān)系在柴油機(jī)中燃燒純汽油，仍然需要高的噴油壓力！高噴油壓力帶來(lái)高效率。三預(yù)噴正時(shí)對(duì)燃燒的影響主噴正時(shí)和噴油量不變，當(dāng)預(yù)噴正時(shí)在-50ATDC之前，燃燒時(shí)刻和相位基本沒(méi)變化。從-50ATDC逐漸靠近上止點(diǎn)時(shí)，燃燒始點(diǎn)逐漸提前，燃燒放熱率峰值逐漸減小，燃燒持續(xù)期增大。預(yù)噴正時(shí)從-50ATDC靠近上止點(diǎn)時(shí)，放熱率峰值降低，燃燒持續(xù)期增大。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)高效清潔燃燒控制技術(shù)

技術(shù)瓶頸是：1）火焰速度低；2）火焰焠熄；3）不完全燃燒；提出“稀燃和壓燃”方案：解決方案高壓縮比和增壓形成燃燒前的活化基觸發(fā)多點(diǎn)同步燃燒稀燃控制燃燒的速度。2.智能控制火焰?zhèn)鞑ィ▊鹘y(tǒng)燃燒）多點(diǎn)同步自燃（新燃燒方案）工作缸數(shù)：6工作缸數(shù)：3利用隨機(jī)數(shù)法控制停缸數(shù)及停缸號(hào)；精確控制天然氣噴射量、噴射定時(shí)；

精確控制著火觸發(fā)的能量和定時(shí)；先進(jìn)燃燒原理和數(shù)字控制技術(shù)的結(jié)合通過(guò)停缸和觸發(fā)能量控制，保持最佳燃燒狀態(tài)控制單元4.排汽能量的利用和回收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣含30%的能量；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水帶走20-25%的熱量；內(nèi)燃機(jī)仍有25-50%的節(jié)能潛力（余熱利用，燃燒效率）（回收問(wèn)題在70、80年代已有許多討論）：1.復(fù)合式動(dòng)力渦輪：機(jī)械式/電動(dòng)式成本/收益比太低；2.朗肯（RanKineCycle）廣泛研究；3熱電發(fā)電機(jī)（利用熱電材料）4.排汽能量的利用和回收內(nèi)燃機(jī)在未來(lái)幾十年在移動(dòng)式動(dòng)力裝置中占有支配地位；內(nèi)燃機(jī)熱效率的極限遠(yuǎn)比基于卡諾循環(huán)的估算高；柴油機(jī)熱效率的近期目標(biāo)（2015-2020）可以達(dá)到50-55%