重型柴油机节能减排技术

1、 1重型重型柴油机节能减排技术柴油机节能减排技术潍柴动力股份有限公司潍柴动力股份有限公司 李勤李勤 博士博士 2015.10.22. 上海安亭上海安亭内容提要内容提要l 节能技术及评估节能技术及评估l 排放控制技术排放控制技术2 3关于车辆、传动方面关于车辆、传动方面降能耗的头脑风暴降能耗的头脑风暴 4 车辆运行的阻力车辆运行的阻力 l 摩擦力摩擦力l 迎风阻力迎风阻力l 攀升力攀升力l 加速力加速力 4 5 减少车辆运行阻力的途径减少车辆运行阻力的途径 l 摩擦力摩擦力路面、轮胎路面、轮胎l 迎风阻力迎风阻力风阻系数、车联网风阻系数、车联网l 攀升力攀升力打洞架桥打洞架桥l 加速力加速力驾驶

2、习惯驾驶习惯 5 6 传动传动过程中的能耗过程中的能耗 城市公交车油门到底，城市公交车油门到底，轮边扭矩不到额定功率的轮边扭矩不到额定功率的60% ! 卡车？卡车？卡车常用转速？卡车常用转速？ 传动过程的能耗是很惊人的！传动过程的能耗是很惊人的！6 7 传动的各种形式传动的各种形式 机械传动机械传动 液压液压气动气动电动电动7 8 传动的各种形式传动的各种形式 机械传动机械传动 液压液压气动气动电动电动混合动力和混合动力和新能源应在传动上有所创新新能源应在传动上有所创新8 9Downsizing? Downspeed? 10典型四气门自吸汽油机的换气损失典型四气门自吸汽油机的换气损失12345

3、62468101214 30 25 20 15 10 8 6 4 2 发动机转速发动机转速 x1000 RPMx1000 RPM平均有效压力平均有效压力 bar(IMEPL / IMEP) * 100 %IMEP= IMEPH-IMEPLEOIOECICTDCBDCIMEPL资料来源：资料来源：FEV 11典型四气门自吸汽油机的换气损失典型四气门自吸汽油机的换气损失1234562468101214 30 25 20 15 10 8 6 4 2 发动机转速发动机转速 x1000 RPMx1000 RPM平均有效压力平均有效压力 bar(IMEPL / IMEP) * 100 %IMEP= IME

4、PH-IMEPLEOIOECICTDCBDCIMEPL资料来源：资料来源：FEV排排量量增增大大 12增压汽油机的负荷控制方式增压汽油机的负荷控制方式( (仅示意仅示意) )1234562468101214 10 2 发动机转速发动机转速 x1000 RPMx1000 RPM平均有效压力平均有效压力 bar(IMEPL / IMEP) * 100 %IMEP= IMEPH-IMEPLEOIOECICTDCBDCIMEPL增压压力控制增压压力控制 13Downsizing对发动机降能耗的作用对发动机降能耗的作用汽油机：汽油机： l 缩小节气门控制区，减小换气损失缩小节气门控制区，减小换气损失l

5、提高负荷率，提高机械效率提高负荷率，提高机械效率13 14Downsizing对发动机降能耗的作用对发动机降能耗的作用汽油机：汽油机： l 缩小节气门控制区，减小换气损失缩小节气门控制区，减小换气损失l 提高负荷率，提高机械效率提高负荷率，提高机械效率柴油机：柴油机： l提高提高负荷率，提高机械效率负荷率，提高机械效率14 15Downspeeding的主要作用的主要作用l 提高负荷率，提高机械效率提高负荷率，提高机械效率l 减小运动副的相对速度，减小摩擦功减小运动副的相对速度，减小摩擦功15 16欧洲重型卡车后桥速比的变化欧洲重型卡车后桥速比的变化16资料来源资料来源：AVL 17欧洲重型卡

6、车发动机欧洲重型卡车发动机常用转速的变化常用转速的变化17资料来源资料来源：AVL 18某发动机的平均摩擦压力脉谱某发动机的平均摩擦压力脉谱18资料来源资料来源：FEV 19Downspeeding对发动机外特性的要求对发动机外特性的要求19资料来源资料来源：AVL 20Downspeeding对发动机爆发压力的影响对发动机爆发压力的影响20资料来源资料来源：AVL 21Downspeeding降摩擦损失的效果降摩擦损失的效果 0.80.850.90.95120010001000平均摩擦损失平均摩擦损失 压力压力 bar发动机转速发动机转速 rpm耐200 bar爆压发动机的平均摩擦压力主轴承

7、连杆轴承冷却水泵爆发压力爆发压力200 bar爆发压力爆发压力200 bar爆发压力爆发压力240 bar 22重型车用柴油机节能技术探讨重型车用柴油机节能技术探讨 23未来降低油耗和未来降低油耗和CO2排放的措施排放的措施l 提高发动机机械效率提高发动机机械效率l 减小排量减小排量 + 混合动力混合动力l 余热和废气能量余热和废气能量 24l 减小摩擦副损失减小摩擦副损失l 减小附件损耗，应用可变附件减小附件损耗，应用可变附件l 优化进气系统（包括增压器和优化进气系统（包括增压器和EGR）l 优化排气系统优化排气系统 节油潜力在节油潜力在10%以上以上增加成本增加成本2万元以内万元以内提高发

8、动机机械效率提高发动机机械效率 25l 减小摩擦副损失减小摩擦副损失l 减小附件损耗，应用可变附件减小附件损耗，应用可变附件l 优化进气系统（包括增压器和优化进气系统（包括增压器和EGR）l 优化排气系统优化排气系统 节油潜力在节油潜力在10%以上以上增加成本增加成本2万元以内万元以内更重要的是研发和制造文化的改善更重要的是研发和制造文化的改善提高发动机机械效率提高发动机机械效率 26l 提高部分负荷的机械效率提高部分负荷的机械效率l 制动能量的回收制动能量的回收节油潜力在节油潜力在15%左右左右增加成本增加成本20万元万元减小排量减小排量+混合动力混合动力 27l 动力涡轮动力涡轮l 郎肯循

9、环郎肯循环l 热电发电热电发电节油潜力在节油潜力在5%左右左右增加成本增加成本5万元万元余热和废气能量利用余热和废气能量利用 28051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15每年运行每年运行 20 万公里万公里百公里油耗百公里油耗 40 升升节油率节油率燃油价和重型车节油经济性燃油价和重型车节油经济性 29051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15节油率节油率燃油价和重型车节油经济性

10、燃油价和重型车节油经济性l 提高机械效率提高机械效率 30051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15节油率节油率燃油价和重型车节油经济性燃油价和重型车节油经济性l 提高机械效率提高机械效率l 混合动力混合动力 31051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15节油率节油率燃油价和重型车节油经济性燃油价和重型车节油经济性l 提高机械效率提高机械效率l 混合动力混合动力l 余热利用余热利用

11、 32北京燃油价格的发展北京燃油价格的发展345678920042004年年20062006年年20082008年年20102010年年20122012年年20142014年年20162016年年20182018年年燃油价格燃油价格 ( (元元/ /升）升）年度年度92/93#汽油汽油 0# 柴油柴油 2020年年 33051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15节油率节油率燃油价和重型车节油经济性燃油价和重型车节油经济性l 提高机械效率提高机械效率l 混合动力混合动力l 余热利用余热利用

12、 34051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15节油率节油率燃油价和重型车节油经济性燃油价和重型车节油经济性l 提高机械效率提高机械效率l 混合动力混合动力l 余热利用余热利用当前当前 35051015205 10 15 20 每年节省燃油费用每年节省燃油费用 （万元）（万元）燃油价格燃油价格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15节油率节油率燃油价和重型车节油经济性燃油价和重型车节油经济性l 提高机械效率提高机械效率l 混合动力混合动力l 余热利用余热利用当前当前2020 36排

13、放控制技术排放控制技术 37NOx PM HDEHDELDVLDV扭矩扭矩发动机转速发动机转速 (rpm)发动机转速发动机转速 (rpm)排放法规主要考核的工况区排放法规主要考核的工况区 38柴油机主要排气污染物的形成条件柴油机主要排气污染物的形成条件ppm NO5001006020碳烟形成碳烟形成30002500200015001000500000,51,01,52,0过量空气系数过量空气系数温度温度K燃烧混合气燃烧混合气 3939l NOx 高温及高温的持续时间高温及高温的持续时间 l PM 高温缺氧高温缺氧柴油机主要污染物的产生条件柴油机主要污染物的产生条件 4040l 降降NOx 推迟

14、喷射时刻，缩短喷射时间，推迟喷射时刻，缩短喷射时间，l 降降PM 增压增压增压中冷对降增压中冷对降NOx和和PM作用都很大作用都很大降低柴油机主要污染物的传统手段降低柴油机主要污染物的传统手段 41NOx PM HDEHDELDVLDV扭矩扭矩发动机转速发动机转速 (rpm)发动机转速发动机转速 (rpm)排放法规和排气再循环的最佳作用范围排放法规和排气再循环的最佳作用范围 EGR最佳作用区最佳作用区 422021-10-1442排气再循环在柴油机上的应用排气再循环在柴油机上的应用轻型车：轻型车：l 欧欧1以来有较多的应用以来有较多的应用重型机：重型机：l欧欧3以来有少量应用以来有少量应用 4

15、3NOx PM HDEHDELDVLDV扭矩扭矩发动机转速发动机转速 (rpm)发动机转速发动机转速 (rpm)排放法规和排放法规和SCR的作用范围的作用范围 SCR作用区作用区 44欧洲5欧洲4欧洲3SCR降NOx 催化器微粒后处理器DPF/POC排气再循环EGR国国4重型柴油机的技术路线重型柴油机的技术路线 45欧洲5欧洲4欧洲3SCR降NOx 催化器国国5重型柴油机的技术路线重型柴油机的技术路线 46 重型发动机稳态循环重型发动机稳态循环 (加权系数加权系数) 47 重型发动机稳态循环重型发动机稳态循环 (NOx排放值分布排放值分布) 4848瞬态循环的工况分布瞬态循环的工况分布 49微

16、粒捕集器微粒捕集器DPF欧欧6重型车用柴油机重型车用柴油机的传统技术的传统技术路线路线欧欧6国国5国国4 4SCR降降NOx 催化器催化器EGR 50欧欧6重型车用柴油机的常规技术路线重型车用柴油机的常规技术路线 51WP7 EURO6 Diesel Engine 52传统欧传统欧6技术路线的特点和难点技术路线的特点和难点全脉谱的高全脉谱的高EGR率导致全负荷氧气不足率导致全负荷氧气不足需要高增压来弥补需要高增压来弥补缸内最高爆发压力的提高缸内最高爆发压力的提高发动机需要重新设计发动机需要重新设计 53国国6传统技术路线的瓶颈传统技术路线的瓶颈l 需要承受需要承受200bar以上的爆发压力以上

17、的爆发压力l 这个平台升级到市场接受耗时这个平台升级到市场接受耗时5-10年年l 或大幅度降低发动机的功率（下降或大幅度降低发动机的功率（下降15%以上）以上）53 54重型发动机欧重型发动机欧6排放控制策略排放控制策略Emission Control StratgySCR OnlyNo EGR 55 重型发动机欧重型发动机欧6排放控制策略排放控制策略 - SCR + 非冷却非冷却EGR 方案方案SCR OnlyNo EGR SCR + EGR（w/o Cooler） 56 重型发动机欧重型发动机欧6排放控制策略排放控制策略 - 纯纯SCR方案方案 No EGR SCR Only 57微粒捕集

18、器微粒捕集器DPF欧欧6重型车用柴油机的技术路线重型车用柴油机的技术路线欧欧6国国5国国4 4SCR降降NOx 催化器催化器EGR 58微粒捕集器微粒捕集器DPF欧欧6重型车用柴油机的技术路线重型车用柴油机的技术路线欧欧6国国5国国4 4SCR降降NOx 催化器催化器EGR X 59 无无EGR柴油机的优点柴油机的优点 不需要太高的增压压力不需要太高的增压压力 不产生过高的爆发压力不产生过高的爆发压力 对增压器和对增压器和 燃油喷射系统的要求相对较低燃油喷射系统的要求相对较低 不额外增加整车冷却系统的需求不额外增加整车冷却系统的需求 减少了减少了EGR系统所带来的各种故障系统所带来的各种故障

19、60欧洲各种降排放技术的成本分析欧洲各种降排放技术的成本分析相对成本相对成本 61EGR302468代价代价NOx (g/kW.h)EGR（1:2）Adblue实际价格EGR（1:1.25）Adblue价格是柴油的一半 3克以下克以下都用都用SCR，代价相同代价相同SCREGR和和SCR降降NOx的代价的代价在相同的条件下，纯在相同的条件下，纯SCR有营运成本的优势。有营运成本的优势。 62 SCR系统控制和系统控制和OBD的难点的难点0246810NOx g/kWh难点！SCR Only EGR + SCR 63欧欧6重型车用柴油机重型车用柴油机的技术的技术路线路线X 64DPF再生方式再生方式被动再生被动再生主动再生主动再生DOCDOCDPFDPF 65DPF主动再生主动再生主动再生主动再生DOCDPFl 通过发动机措施使通过发动机措施使DOC前排温达到前排温达到300 OC以上以上 l 缸内或排气管后喷的燃油在缸内或排气管后喷的燃油在DOC