內(nèi)燃機(jī)節(jié)能潛力和技術(shù)途徑探討

內(nèi)燃機(jī)節(jié)能潛力和技術(shù)途徑探討匯報(bào)人：謝輝天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2013.06.15，天津發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)高效燃燒技術(shù)汽油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)汽油機(jī)節(jié)油核心問(wèn)題節(jié)氣門控制負(fù)荷-泵氣損失排放要求當(dāng)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(jìn)氣門控制負(fù)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(jī):drive-by-airinjectorSpark小負(fù)荷時(shí)泵氣損失達(dá)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(duì)燃油品質(zhì)的要求廢氣率和溫度小大高低有效容積負(fù)荷廢氣驅(qū)動(dòng)燃燒：drive-by-residualsExDrive?HCCI燃燒：drive-by-residuals當(dāng)量空燃比下內(nèi)部殘余廢氣HCCI，部分負(fù)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

>1

=1

>1

>1EngineSpeedEngineLoad可燃?xì)鈴U氣虛擬可變排量廢氣稀釋燃燒在全部工況范圍內(nèi)通過(guò)全可變氣門機(jī)構(gòu)結(jié)合外部廢氣再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)量空燃比下廢氣稀釋的汽油機(jī)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(shí)現(xiàn)稀釋條件下的SI1.拓展低溫燃燒到更低負(fù)荷消除燃燒模式轉(zhuǎn)換的問(wèn)題實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制無(wú)縫銜接廢氣稀釋燃燒小大高低廢氣率負(fù)荷可燃?xì)鈴U氣虛擬可變排量

drive-by-exhaust廢氣對(duì)負(fù)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(jī)4*92mm,2.2L4個(gè)缸壓傳感器4個(gè)進(jìn)氣壓力傳感器4個(gè)空燃比傳感器4個(gè)進(jìn)氣道噴嘴4個(gè)直噴噴嘴外部EGR汽油機(jī)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(dòng)的高效低溫燃燒是極具潛力、切實(shí)可行的汽油機(jī)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(jī)熱-電混合動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)水泵電動(dòng)風(fēng)扇ISG電機(jī)動(dòng)能熱存儲(chǔ)朗肯循環(huán)動(dòng)力渦輪熱電材料發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)余壓能余熱余熱蓄電池運(yùn)行循環(huán)內(nèi)燃機(jī)車輛道路燃油曲軸機(jī)械能熱存儲(chǔ)冷卻水規(guī)劃、協(xié)調(diào)、控制能源網(wǎng)絡(luò)特征：多梯級(jí)多路徑動(dòng)態(tài)循環(huán)原理性樣機(jī)總能效率提高15%

內(nèi)燃機(jī)熱電復(fù)合能量系統(tǒng)全歷程仿真平臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)354kW整車總質(zhì)量28噸完整的能流路徑：產(chǎn)生-回收-存儲(chǔ)-使用可用于研究系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)態(tài)規(guī)劃道路工況數(shù)據(jù)庫(kù)：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(yùn)行過(guò)程：

動(dòng)態(tài)運(yùn)行循環(huán)全歷程概念：動(dòng)力渦輪系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)（設(shè)計(jì)域—運(yùn)行域—控制域）

電輔助純電動(dòng)并聯(lián)串聯(lián)運(yùn)行域：運(yùn)行工況的影響1900rpm全負(fù)荷，不同動(dòng)力渦輪效率對(duì)比原機(jī)電輔助串聯(lián)純電動(dòng)并聯(lián)運(yùn)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(jì)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(yùn)行HUDDS電輔助動(dòng)力渦輪無(wú)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(yùn)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(yùn)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(píng)價(jià)（設(shè)計(jì)域—運(yùn)行域—控制域）額定點(diǎn)工況2100rpm100%load蒸發(fā)壓力30bar過(guò)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(yùn)行工況的影響（1）朗肯循環(huán)對(duì)點(diǎn)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(dòng)，提高轉(zhuǎn)化效率。高速工況公交工況運(yùn)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(jì)域設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)間比例79.91%（1）道路工況條件下，控制品質(zhì)對(duì)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(yáng)程的前提下，大范圍調(diào)節(jié)流量——控制蒸發(fā)溫度膨脹機(jī)：膨脹機(jī)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(píng)價(jià)（設(shè)計(jì)域—運(yùn)行域—控制域）熱電直接轉(zhuǎn)換裝置的效率評(píng)價(jià)換熱系數(shù)/W/(m^2*k)9060平均運(yùn)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(jì)域運(yùn)行工況的影響運(yùn)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(yùn)行效率降低了50.2%。運(yùn)行工況泰達(dá)公交HUDDS平均運(yùn)行效率/%5.495.14平均發(fā)電功率/W140.2118.6與HUDDS工況相比，泰達(dá)公交工況平均運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(dòng)熱管理系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)域附件形式總能效率%回收能量使用率%機(jī)械附件00電動(dòng)風(fēng)扇+機(jī)械水泵2.8224.04電動(dòng)風(fēng)扇+電動(dòng)水泵2.925.69目標(biāo)水溫運(yùn)行效率%總能效率%回收能量使用率%360K274.85.239.91368K16605.26.6電動(dòng)附件可以有效提高總能效率和回收能量使用率運(yùn)行域控制域運(yùn)行效率隨運(yùn)行工況

變化明顯在兩種工況下

運(yùn)行效率均大于100%

（收益大于代價(jià)）降低目標(biāo)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(yùn)行工況的影響控制參數(shù)的影響

ISG電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率評(píng)價(jià)（設(shè)計(jì)域—運(yùn)行域—控制域）

制動(dòng)能增加，電輔助驅(qū)動(dòng)的總能效率和電驅(qū)動(dòng)貢獻(xiàn)率將提高運(yùn)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(dòng)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(yàn)證（動(dòng)力渦輪－電動(dòng)風(fēng)扇系統(tǒng)）原機(jī)無(wú)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(jìn)6.6%8.6%基于全歷程總能效率優(yōu)化控制可實(shí)現(xiàn)能量回收—存儲(chǔ)—運(yùn)用的協(xié)調(diào)管理，相對(duì)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(jìn)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(jī)特性對(duì)油耗的影響TitleandSubtitle:AnalyzingVehicleFuelSavingOpportunitiesthroughIntelligentDriverFeedback（SAE2012-01-0494）Performingorganization:NationalRenewableEnergyLaboratory實(shí)驗(yàn)條件：城市工況與高速工況兩名司機(jī)MercedesC100OBD@1s油耗通過(guò)仿真模型得出每個(gè)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(jī)特性對(duì)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(duì)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(dòng)輪功率

kW時(shí)間低負(fù)載、低效率運(yùn)轉(zhuǎn)怠速燃料的浪費(fèi)剎車能量白白消耗時(shí)間進(jìn)站遇紅燈進(jìn)彎道出站變綠燈出彎道合理分布發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)觀測(cè)路況，優(yōu)化減速，減少制動(dòng)培訓(xùn)司機(jī)習(xí)慣實(shí)時(shí)提示司機(jī)依據(jù)線路需求選擇發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)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(tái)數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)重構(gòu)司機(jī)特征分析道路特征分析車輛建模分析65個(gè)站點(diǎn)標(biāo)定25紅綠燈標(biāo)定特征速度走廊數(shù)據(jù)濾波S1939解析檔位重構(gòu)負(fù)載重構(gòu)坡度重構(gòu)離合重構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)典型特征工況數(shù)據(jù)回放駕駛特征參數(shù)司機(jī)駕駛模型司機(jī)特性辨識(shí)駕駛行為綜合評(píng)價(jià)駕駛提示輔助節(jié)油駕駛風(fēng)格油耗27個(gè)彎道標(biāo)定工況油耗關(guān)系司機(jī)工況模型宇通ZK6902模型數(shù)據(jù)-模型互標(biāo)定工況辨識(shí)節(jié)油工況自學(xué)習(xí)適應(yīng)算法節(jié)油進(jìn)出站提示節(jié)油坡度預(yù)測(cè)提示節(jié)油工況車型匹配節(jié)油司機(jī)辨識(shí)輔助節(jié)油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)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(duì)采集的直接數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，還原間接測(cè)量量針對(duì)影響整車油耗的司機(jī)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(duì)油耗影響的司機(jī)特征、道路特征和整車匹配設(shè)計(jì)標(biāo)定提供針對(duì)的節(jié)油方案研究平臺(tái)–數(shù)據(jù)采集及運(yùn)行監(jiān)控實(shí)時(shí)解析、監(jiān)控、顯示信息終端采集的數(shù)據(jù)，并可以對(duì)車速、踏板、轉(zhuǎn)速、小時(shí)油耗等信息進(jìn)行繪圖。多車同步跟蹤實(shí)車數(shù)據(jù)監(jiān)控車輛信息可配置網(wǎng)絡(luò)地圖實(shí)時(shí)跟蹤研究平臺(tái)—數(shù)據(jù)管理及分析優(yōu)化Internet實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)整車仿真平臺(tái)人-車-路數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)中心省會(huì)市區(qū)省會(huì)郊區(qū)直轄市三線城市車輛行駛規(guī)劃司機(jī)行為優(yōu)化線路特征分析研究對(duì)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(dòng)機(jī)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(chǎng)司機(jī)9206,9209,9221三輛車6位司機(jī)司機(jī)車輛號(hào)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(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控時(shí)間：2012年5月7號(hào)至2013年5月8號(hào)，歷時(shí)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(hào)、9209號(hào)、9221號(hào)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?cái)?shù)據(jù)：累計(jì)運(yùn)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(shí)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(fù)載重構(gòu)技術(shù)里程測(cè)量算法彎道和坡度辨識(shí)算法對(duì)原車不做任何改動(dòng)典型結(jié)果司機(jī)操作優(yōu)化手段-控制參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)手段效果駕駛行為不變，平均油耗節(jié)約8.4%司機(jī)駕駛行為優(yōu)化–定向培訓(xùn)指導(dǎo)針對(duì)每個(gè)司機(jī)各個(gè)工況下的實(shí)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(shí)際司機(jī)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(dá)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