内燃机效率及其潜在技术.

内燃机效率及其潜在技术苏万华教授/院士天津大学内燃机国家重点实验室2012.05.232012中国商用车柴油机技术发展研讨会1.提高内燃机热效率的重要意义2.关于柴油机/内燃机热效率的极限的讨论3.典型的技术和技术路线4.结论主要内容•内燃机在未来几十年仍将是移动式动力装置的主要原动机[1,2]。•提高内燃机效率可以有效减少石油供应紧张的压力，缓解由于CO2排放带来的环境压力。•近几年CO2排放带来的气候变化问题受到广泛关注。提高内燃机效率已经替代内燃机排放控制成为内燃机技术最具挑战的课题。1.提高内燃机效率的重要意义–有害气体排放物已经减少98%以上：•发动机排出的NOx、PM、uHC、CO污染物大幅度减少–CO2是最主要排放物提高柴油机的经济性成为新的挑战Periodofpetroleumdepletion20502000147BillionsofTonsofCarbonEmittedperYear1850Projectedcarbonpath19502075PeriodofpetroleumdepletionEraofcoal,tarsand,andoilshale(280ppmv)(T=0C)(370ppmv)(T=0.8C)(560ppmv)(T=3C)HistoricalemissionsCO2减排将是内燃机技术未来发展的主要影响因素石油资源可提供50-100年？政治冲突的根源；石油问题可以严重地影响经济；未来的发展除了受排放法规影响之外之外，重要因素是燃料的供给和价格；CO2减排和气候变化1.CO2减排——气候变化；2.城市大气污染；3.能源安全；通过提高内燃机效率和石油燃料替代可望在2050年内燃机保有量增加一倍时石油消耗量不变•2007年欧盟颁布了强制性汽车CO2排放法规:•2012年轿车的CO2平均排放低于130g/km（Regulation’(EC)NO.715/2007）•2015年低于95g/km•2014-2017年轻型商用车的CO2排放比2007年降低14%，2020年进一步减少28%，达到147g/km;•美国能源部也要求大幅度提高内燃机效率，2020年重型柴油机热效率由当前的40%提高到55%;•我国也在进一步完善车辆燃油消耗法规，但与上述国际先进内燃机油耗法规存在很大差距。各国加强了对提高内燃机和车辆效率的强制规定2.关于柴油机/内燃机热效率的极限的讨论•闭口循环•必须将工质的热量释放至环境卡诺循环：引自：•开口系统，有化学过程，气体交换过程•没有把热量排给环境实现热力学循环的要求•理论上：•实际上：摩擦、燃烧的不可逆损失；材料；成本等限制内燃机循环•美国橡树国家重点实验室的C.S.Daw[8]等人在2010年美国汽车研究委员会（USCAR）举办的讨论会议中指出：现在的内燃机因“非约束燃烧”损失20~25%的化学能，而通过对现有内燃机循环、内燃机机构以及燃烧过程进行“根本性”的改造，热效率可达到85%。•美国橡树国家重点实验室的DavidL.Greene以及美国田纳西大学的HowardH.Baker[9]在2011年美国能源部举办的DEER年会上预测，2050年汽车效率可能提高到70%。2.关于柴油机/内燃机热效率的极限的讨论•2010年3月，在美国能源部要求下召开的美国汽车研究委员会（USCAR）学术会议综合了29位权威专家的意见，形成了“关于车用内燃机效率的总结报告”，其结论是：•活塞式内燃机最大有效热效率，不考虑摩擦损失可以达到60%（当前是40%或略高）；•现在的内燃机由于非约束（非平衡）的燃烧过程造成损失约为20-25%；内燃机经过根本性改造，最大热效率可望超过60%，但小于85%。至今尚无上述评估依据的细节的报道；•我们已开始“火用”分析的研究参与内燃机最大热效率和技术途径的研究。2.关于柴油机/内燃机热效率的极限的讨论3.典型技术路线（美国交通能源技术计划）3.典型技术路线（美国交通能源技术计划）先进燃烧技术，排放控制，余热回收电动，混合动力系统（内燃机，电池技术）生物燃料、燃料混合燃料1升乙醇可代替0.7升汽油先进材料车重每减少10%（50%以内），油耗减少6%-8%优化动力传动系统可变压比全可变气门代用燃料(CH4,H2,SynFuels)增压，小型化均质稀燃优化气体交换过程增加压缩比，燃烧室结构轻量化减少摩擦损失灵活高压喷射传统柴油机PPC部分预混压燃燃烧典型的节能技术3.典型技术路线3.典型技术路线内燃机智能控制技术发展智能型内燃机是节能减排的重要技术。智能控制是把先进燃烧技术与现代计算机技术、信息技术，控制技术紧密结合的新技术。先进燃烧技术是核心和基础。计算机技术、信息技术和控制技术像神经中枢一样，将燃烧控制的“思想”通过控制内燃机的可变附件系统，实现内燃机燃烧过程保持最优的运行状态。现代内燃机可变附件系统，包括可变进排气系统，可变增压系统，可变燃油供给系统等是智能内燃机燃烧优化的“执行机构”。•1.可变附件系统•△可变进排气门定时和升程•△可变进排气管长度•△可变涡轮系统（T,S,2S,Se,....)•△电控共轨燃油系统•—多脉冲喷射•—可变喷油压力•—可变喷油规律•△可变压缩比•△可变冷却系统内燃机智能控制技术要素（3）可变气门机构减少泵吸损失内燃机智能控制技术要素（2）2.智能控制系统△发动机电子管理系统（ECU）△传感器及信息处理技术△基于模型的控制技术△低成本闭环控制技术燃烧的控制缸内温度的动态变化缸内混合气的自燃特性调整新鲜空气温度调整喷油时刻调整喷油压力变化气门定时变化压缩比废气再循环多种特性的燃料混合燃料添加剂调整均质程度(多次喷油)废气再循环燃烧控制的基本框图内燃机智能控制技术要素（3）0123480012001600200024002800碳烟生成区1%5%10%15%500ppm浓度（化学当量比）温度(K)NOx生成区5000ppm600CI发动机混合和化学反应率的协同控制柴油机燃烧过程状态图混合率与化学反应率协同控制传统柴油机燃烧“化学反应率与混合率协同控制技术”：一方面开发混合率促进技术；同时开发化学反应率抑制技术；混合率促进技术：增压，燃油喷射系统，燃烧室等化学反应率抑制技术：EGR，燃油特性，IVCT高压喷射共轨燃油系统在欧VI开发中为满足减少NOx排放要求高达2600bar以上的喷射压力共轨系统将是唯一的HD柴油机的燃油系统：髙喷射压力，（已达到2500bar）；可实现希望的喷油规律，多次喷射；喷油压力和喷油规律与发动机转速和负荷无关；有利于解决加速性，低速扭矩，噪声等性能匹配需要；与可变喷嘴（可变喷嘴孔直径和数量）联合使用，效果更佳。柴油机燃烧过程混合率与化学反应率协同控制的工程化技术：3.两级涡轮高增压系统匹配和控制技术1.进气门推迟关闭系统2.高、低压尾气再循环（氧浓度控制）系统底座回油2孔下端盖回油2孔底座进油孔下端盖进油孔活塞凸轮轴推杆下端盖缸头弹簧底座底座回油1孔下端盖回油1孔内阀气门摇臂进油管柴油机燃烧过程混合率与化学反应率协同控制的工程化技术：4.多尺度高混合率燃烧室技术6.发动机智能“协同”控制系统（硬件和软件，控制策略）-100-80-60-40-20020400.00.51.01.52.02.53.03.54.0控制信号喷油规律曲轴转角（°CA）控制信号（V）020406080100120喷油速率（mm3/ms）5.多脉冲灵活燃油喷射技术和高压共轨燃油系统技术0.0300.0350.0400.0450.0500.0550.0600.0040.0050.0060.0070.0260.0280.0302.23barRIVCTSOI:-65,-48,-30RIVCTSOI:-65,-50,-352.14barSoot(g/kwh)NOx（g/kwh）46485052542.23barRIVCTSOI:-65,-48,-30RIVCTSOI;-65,-50,-352.14barITEg(%)1.01.21.41.61.82.02.2HC(g/kWh)2.23barEGR:65%RIVCTSOI:-65,-48,-30RIVCTSOI;-65,-50,-352.14barEGR:65%20304050CO(g/kwh)2.23barRIVCTSOI:-65,-48,-30RIVCTSOI:-65,-50,-352.14barMulti-pulseinjectionSpeed:1600rpmPcr:160MpaIMEPg:~1.08MPaEGR:65%65%0.010.11100.0000.0020.0040.0060.0080.010EGR:69%EGR:50%NOx(g/kwh)Soot(g/kWh)-26-30-35-40-45EGR:10%0.00.51.01.52.0HC(g/kWh)01020304050EGR:10%50%69%SingleearlyinjectionSpeed:1600rpmPcr:160MPaPb:1.59barIVCT:-146deg.ATDCIMEPg:~0.5MPaCO(g/kWh)394245485154ITEg(%)EGR:69%EGR:50%-26-30-35-40-45EGR:10%45.045.546.046.547.047.548.0ITEg(%)2.5deg17.8%22.5%48kg/m363.8kg/m329.1%3.5deg0.51.01.52.02.53.00.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.04563.8kg/m348kg/m3SOI:2.5deg.ATDC2.5deg17.8%22.5%48kg/m363.8kg/m3NOx(g/kwh)Soot(g/kwh)EGR:29.1%3.5deg0.160.200.240.280.320.36HC(Kw/h)2.5deg17.8%22.5%48kg/m363.8kg/m329.1%3.5deg0.00.51.01.52.02.53.03.5HighDensity-LTCSpeed:1600rpmPcr:160MPaIVCT:-60deg.ATDCIMEPg:~2.2MPaCO(Kw/h)2.5deg17.8%22.5%48kg/m363.8kg/m329.1%3.5deg单次早喷预混燃烧策略多脉冲喷射预混燃烧策略高密度低温燃烧策略平均指示压力~0.5MPa~1.1MPa~2.2MPa混合燃烧控制策略通过燃烧净化达到国IV排放法规欧4（2005）欧5（2008）SCR-触媒DOC/DPF01234560.000.020.040.060.080.100.12燃油消耗/二氧化碳排放颗粒物排放[g/kWh]欧3（2000）冷却的EGR，延迟喷射喷油正时提前氮氧化物排放[g/kWh]欧6（2014）燃烧优化当前欧３技术水平途径1途径2借助于燃料特性实现IMEP=26bar高负荷高效清洁燃烧汽油、柴油或石脑油高ON+高CN，改变比例和活性提高喷射压力，有利于提高燃烧热效率•相同循环喷油量和燃烧相位时，随着喷射压力增大，指示热效率增大。•当缸内当量比增大时，指示热效率逐渐降低。1001201404042444648Pin:2.4barEGR:39%CA50=13.5~15.5CAATDCfuelmass:119mgfuelmass:129mgfuelmass:138mgfuelmass:148mgfuelmass:158mgITEg(%)Pcr(MPa)=0.54=0.57=0.61=0.65=0.69不同当量比下，ITEg随喷射压力的变化关系•在柴油机中燃烧纯汽油，仍然需要高的喷油压力！•高喷油压力带来高效率。三预喷正时对燃烧的影响•主喷正时和喷油量不变，当预喷正时在-50ATDC之前，燃烧时刻和相位基本没变化。从-50ATDC逐渐靠近上止点时，燃烧始点逐渐提前，燃烧放热率峰