中国清洁柴油车技术发展现状及趋势简化

中国清洁柴油车技术发展现状及趋势同济大学汽车学院

楼狄明博士教授博导

2015.10.22目录一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展二、新一代清洁柴油车发展思考技术领域研究方向课题名称先进发动机技术（15个）增压直喷汽油发动机（3个）缸内直喷汽油机的研发与产业化新一代小排量高效增压直喷汽油机开发

中高级轿车用先进增压直喷汽油机技术研究高压共轨柴油发动机（6个）高压共轨轿车柴油机开发节能环保高效轿车柴油机研发高压共轨重型柴油机关键技术研究柴油机电控高压共轨燃油喷射系统轻型车用电控高压共轨柴油机开发中重型高功率密度高效清洁柴油机关键技术均质燃烧发动机（2个）基于柴油机均质压燃发动机关键技术攻关及样机研制基于汽油机均质压燃（HCCI）汽油发动机及整车研发替代燃料发动机（4个）下一代天然气发动机关键技术与产品开发甲醇柴油双燃料重型柴油机关键技术研究国V排放生物柴油专用发动机关键技术研究国Ⅵ标准电控二甲醚车用发动机的研究自动变速器技术（4个）CVT自动变速器（1个）混合动力汽车无级自动变速器（CVT）关键技术研发双离合自动变速器（2个）乘用车双离合自动变速器平台产品研发双离合器自动变速器产业化技术开发AT自动变速器（1个）大功率AT变速器研发柴油机后处理技术（2个）柴油机NOX和PM后处理（2个）柴油机后处理系统（SCR）关键技术研发及产业化满足欧Ⅵ排放标准的柴油机后处理关键技术研究项目下设21个课题，按课题技术领域分，可分为先进发动机技术、自动变速器技术和柴油机后处理技术三个研究领域。先进发动机技术领域设15个课题，自动变速器领域设4个课题，柴油机后处理技术领域设2个课题。

1.背景介绍一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展I发动机零部件及燃烧系统设计优化：零部件轻量化设计，零部件低噪声结构设计，燃烧室形状优化设计，气道优化设计II高压共轨柴油机电控系统开发：自主ECU软硬件开发，应用层软件控制策略。IIIDPF设计开发应用：DPF仿真优化设计，DPF再生策略研发，DPF台架标定，DPF整车标定IV柴油乘用车智能起停技术开发应用：智能启停系统详细设计及制造，智能启停策略开发，智能起停标定及验证整机技术水平：具有自主知识产权、整车排放达到国V标准，实现整车燃油消耗量较国家第三阶段油耗标准低15%。2.乘用车用高压共轨柴油机一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展主要考核指标：升功率，≥50kW/L升扭矩，160N·m/L综合比油耗，≤205g/(kW·h)排放标准，国V10台样机，3台样车主要考核指标：升功率，≥50kW/L升扭矩，160N·m/L综合比油耗，≤205g/(kW·h)排放标准，国V10台样机，3台样车主要考核指标：升功率，≥50kW/L升扭矩，160N·m/L综合比油耗，≤205g/(kW·h)排放标准，国V10台样机，3台样车主要完成指标：升功率，55kW/L升扭矩，160N·m/L综合比油耗，203.7g/(kW·h)排放标准，国V10台样机，3台样车主要完成指标：升功率，57kW/L升扭矩，175N·m/L综合比油耗，204.2g/(kW·h)排放标准，国V12台样机，8台样车主要完成指标：升功率，54kW/L升扭矩，162N·m/L综合比油耗，204.3g/(kW·h)排放标准，国V13台样机，3台样车长城2.0L乘用车柴油机奇瑞2.0L乘用车柴油机云内1.85L乘用柴油机2.乘用车用高压共轨柴油机-产品一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展I高压共轨燃油系统关键零部件开发：高压油泵、共轨管、喷油器总成的开发，高压共轨燃油喷射系统测试与评价标准平台II柴油机电控系统开发及关键技术研究：电控单元ECU的硬件平台，基础软件库和控制策略，满足国V、欧VI阶段的功能性和可靠性要求III高强度的柴油机结构及关键部件设计开发：适合于高爆压和高热负荷的欧Ⅵ重型柴油机结构设计，燃烧系统及燃烧室设计IV后处理系统匹配与集成控制技术：高效DPF再生催化剂和SCR催化剂开发，DOC+DPF+SCR的封装集成及控制技术VEGR与增压系统的匹配与控制技术：高压比涡轮增压系统及其控制策略开发，冷却EGR技术的研发，基于模型的EGR/增压系统耦合控制整机技术水平：具有自主知识产权，满足欧VI排放标准的高压共轨商用车柴油机。3.高压共轨商用车柴油机一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展主要考核指标：喷射压力，180MPa喷射次数，5次最高需用发动机转速，4800r/min排放标准，国V搭载样机3台主要考核指标：标定功率/转速，≥350/2100(kW/(r/min))最大扭矩/转速，≥2000/1200(kW/(r/min))升功率，≥30N·m/(r/min)综合比油耗，≤205g/(kW·h)排放标准，欧Ⅵ样机5台主要考核指标：标定功率/转速，≥265/2300(kW/(r/min))最大扭矩，≥1200N·m最低燃油消耗率，195g/(kW·h)综合比油耗，≤205g/(kW·h)排放标准，国V样机5台主要完成指标：喷射压力，180MPa喷射次数，5次最高需用发动机转速，4800r/min排放标准，国V搭载样机3台主要完成指标：标定功率/转速，352.3/2100(kW/(r/min))最大扭矩/转速，2012/1200(kW/(r/min))升功率，30.4N·m/(r/min)综合比油耗，203.3g/(kW·h)排放标准，欧VI样机5台，样车1辆主要完成指标：标定功率/转速，265.6/2300(kW/(r/min))最大扭矩，1201.1N·m最低燃油消耗率193.7g/(kW·h)综合比油耗，203.3g/(kW·h)排放标准，国V样机6台，样车1辆新风高压共轨燃油喷射系统潍柴动力12L柴油机兵器集团7L柴油机3.高压共轨商用车柴油机-产品一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展I欧VI标准柴油机尾气净化系统用催化剂及载体开发：无毒性SCR催化剂技术，新型DOC催化剂涂覆技术，新型DPF涂层和大尺寸载体技术II后处理关键零部件及控制技术开发：SCR系统关键技术，大流量EGR阀及控制技术，NOX传感器开发，DPF再生燃油喷射控制技术III后处理系统集成开发：后处理系统集成模型仿真，后处理系统匹配标定技术，OBD诊断策略技术开发后处理技术水平：催化剂性能、后处理关键零部件性能等达到国际同期同类产品水平，后处理技术整体水平达到欧VI排放标准。4.柴油机NOX和PM后处理技术一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展4.柴油机NOX和PM后处理技术-产品及产业化能力催化剂及载体性能关键零部件技术系统集成匹配及产业化能力建设主要考核指标：SCR催化剂，200℃时，NOX转化率≥50%；300℃以上，NOX转化率≥90%DOC催化剂满足230-350℃，60%≥NO2转换率≥40%，C3H8(T50)≤270℃大尺寸载体达到13英寸，热膨胀系数小于0.9×10-6/℃主要考核指标：SCR尿素喷射系统在9bar压力下，最大尿素喷射量8L/hEGR率≥50%，EGR阀开启和关闭响应时间≤50msNOX传感器测量精度10ppm，响应时间T90≤1s，温度0-800℃，量程0-2000ppm主要完成指标：SCR催化剂完成考核指标DOC催化剂满足230-350℃下60%≥NO2≥40%；C3H8（T50)≤270℃大载体直径达到13英寸，热膨胀系数0.86×10-6/℃主要完成指标：SCR尿素喷射系统在9bar压力下，尿素喷射量大于8L/hEGR率≥50%，EGR阀开启和关闭响应时间＜50ms完成满足考核指标、拥有自主知识产权的SCR系统、EGR系统集成、NOX传感器NOX传感器EGR阀SCR喷射器建立年产1200万升SCR催化剂生产线建立年产300万升堇青石载体生产线建立年产50万套后处理总成生产线一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展IHCCI柴油机技术：增压系统匹配，燃烧室匹配，EGR控制策略IIHCCI柴油机后处理：后处理系统集成，SCR控制，DPF控制整机技术水平：柴油机排放分别达到欧VI，燃油经济性达到国际先进水平，关键技术具有自主知识产权。5.均质压燃柴油机技术一、“十二五”我国清洁柴油车技术研发进展玉柴YC6L均质压燃柴油油机潍柴WP12均质压燃柴油油机主要考核指标：最低燃油消耗率，≤190g/kWh噪音，≤95dB(A)排放水平，欧VI1台样机主要考核指标：最低燃油消耗率，≤190g/kWh噪音，≤95dB(A)排放水平，欧VI1台样机主要完成指标：最低燃油消耗率，189g/kWh噪音，94.7dB(A)排放水平，欧VI1台样机主要完成指标：最低燃油消耗率，189.8g/kWh噪音，94.9dB(A)排放水平，欧VI1台样机5.均质压燃柴油油机技术-产品一、“十二五”我国清洁柴油油车技术研发发进展目录一、“十二五”我国清洁柴油油车技术研发发进展二、新一代清清洁柴油车发发展思考重载商用车能能源消耗数据来源：2010-2014年中国统计年年鉴我国汽车油耗耗占石油年消消耗总量的一一半左右，而而汽车油耗的的48.28%是被只占汽车车总量13.9%的重载商用车（＞3.5T）消耗掉的。二、新一代清清洁柴油车发发展思考1.我国重型商商用车技术术现状汽车工业尾尾气排放标标准我国目前排排放标准与与美国、欧欧盟存在较较大差距。。1.我国重型商商用车技术术现状二、新一代代清洁柴油油车发展思思考40制动性参数数204534整车美国中国升功率（kW/L）排放寿命（万公公里)EPA2010国IV16080油耗(L/100Km)发动机最高车速(Km/h)0-85Km/h加加速时间(s)直接档最大大爬坡度加速行驶噪噪声(dB(A))12547.5FMVSS(2015)2.1%80110522.5%84GB7258(2015)1.我国重型商商用车技术术现状51%41%热效率(%)二、新一代代清洁柴油油车发展思思考低油耗：≤20L/100km低排放:欧VI标准（国VI标准）低噪声:≤80dB(A)（通过性噪噪声）高热效率：50%-55%（发动机））2.新一代清洁洁重型商用用车技术目目标建议“三低一高高”二、新一代代清洁柴油油车发展思思考OrganicRankinecycle有机朗肯循循环Turbocompound复合涡轮WasteHeatRecovery废热回收OptimizedPistonBowl活塞燃烧室室优化OptimizedInjector喷油器优化化Dual-fuel双燃料技术术Low-temperaturecombustion(LTC)低温预混合合燃烧Turbocharger增压系统AdvancedCombustion先进燃烧技技术>20%FuelConsumptionImprovement,50~55%BTE油耗改进>20%,热效率50–55%Aftertreatment后后处理理EGR废气再循环环Urea-SCR尿素-选择性催化化还原DPF颗粒捕集器器Friction&Accessory摩擦和附件件VariableGeometryTurbocharger可变截面涡涡轮增压器器技术Two-Stageturbocharging两级增压技技术Frictionreduction低摩擦技术术VariableAccessories可变附件技技术3.新一代清洁洁柴油机技技术路径二、新一代代清洁柴油油车发展思思考B.Turbocompound复合涡轮RelativelygoodBSFCreduction较好的BSFC特性Relativesimplicityandlowcost结构简单，，成本低Highexhaustback-pressure背压高NoBSFCbenefitatsomelowloads部分低负荷荷工况BSFC效益低Lowturbineefficiencywithcommontechnology涡轮效率低低GoodBSFCreduction优良的BSFC特性Nointeractionwithengine与发动机无无关联Lowerheat-exchangerarea减小换热器器面积Complexityandcost结构复杂，，成本高Workingfluidtoxicity工作介质有有毒性Advantages优点Advantages优点Disadvantages缺点Disadvantages缺点A.OrganicRankinecycle有机朗肯循循环3.1废热回收技技术二、新一代代清洁柴油油车发展思思考C.Mechanical机械式D.Electrical电气式Advantages优点Disadvantages缺点Lowpowerlossbydirectmechanicalconnection功率损失低Nobatteriesore-motorrequired不需要电机和和电池Noenergystoragemethod能量无法存储储Energyproducedmaynotmatchpowerdemand不满足动力需需求Slowerexpanderortransmissionrequired需要变速器Energystoragepossible实现能量存储储Energyfeedbackaccordingtovehiclepowerdemand车辆功率要求求反馈调节Lossesconvertingmechanicalpowertoelectricalandback机电转化功率率损失Requirese-motor需要电机Advantages优点Disadvantages缺点3.1废热回收技术术二、新一代清清洁柴油车发发展思考TechnicalOptionsforWHRWHR技术选项

DaimlerNavistarCumminsVolvoWasteHeatRecovery

废热回收技术ORC

●

Tuco+ORC●●

●PowerFeedbackType

能量回收形式Mechanical机械式

●

Electrical电气式●●

Tuco:Turbo-compounding复合涡轮ORC:OrganicRankinecycle有机朗肯循环环典型的废热回回收技术3.1废热回收技术术二、新一代清清洁柴油车发发展思考原理样机研制，系统集成验证系统建模，模拟分析，理论研究搭建装置，测试分析，验证理论1.新型可控热力循环研究4.

附加膨胀室余压能转化3.

复合涡轮余压能转化2.

热电材料高效热电转化技术方案高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究国家重大需求技术特征热能流转化动能流转化回收能利用5.

热电内燃机混合能量管理6.

气动-内燃机混合能量管理技术途径理论层面：理论创新技术层面：技术创新系统层面：原理创新3.1废热回收技术术二、新一代清清洁柴油车发发展思考Lowviscosityoil采用低粘度润滑油Optimizedpistons,pistonrings,cylinderkit,etc活塞、活塞环环、缸套等优优化FMEPreduced,mechanicalefficiencyimproved通过摩擦降低低，提高机械械效率。A.Frictionreduction低摩擦技术3.2摩擦和附件技技术二、新一代清清洁柴油车发发展思考Variablespeedwaterpump变速水泵Variableoilpump可变机油泵BTEimprovementwithvariabledisplacementoilpumpandvariablespeedwaterpump应用可变机油油泵和变速水水泵后，发动动机热效率提提高。B.VariableAccessories可变附件技术术3.2摩擦和附件技技术二、新一代清清洁柴油车发发展思考Increasecompressionratio(CR)提高压缩比PistonBowlgeometryoptimization--GeneticAlgorithm(GA)燃烧室结构优优化--遗传算法B.OptimizedInjector喷油器优化A.OptimizedPistonBowl活塞燃烧室优化Robustcavitationdesign稳定的气穴设设计Heatreleaseimprovements改进散热ΔBTEimpact:+1.3%3.3先进燃烧技术术二、新一代清清洁柴油车发发展思考PCCI预混合压燃技术术HCCI均质充量压燃技术术RCCI燃油活性控制压燃燃技术NaturalGas(NG)-dieselRCCIEthanol-DieselRCCIC.Low-temperaturecombustion(LTC)低温燃烧LTCcanreduceNOxandPMatthesametimeLTC技术能够同时时降低NOx和PM3.3先进燃烧技术术二、新一代清清洁柴油车发发展思考NG-DieselDF天然气-柴油双燃料Ethanol-DieselDF乙醇-柴油双燃料Advantages技术优势Fuelefficiencyimprovement提高燃油效率率Replacementofdiesel替代柴油燃料料Reductioninsootandengine-out(EO)NOx减少颗粒物和和NOx排放Features特点Lowerheattransfer低的传热性Controlburnduration控制燃烧持续续期Increaseeffectiveexpansion增加有效膨胀胀D.Dual-fuel双燃料技术3.3先进燃烧技术术二、新一代清清洁柴油车发发展思考LowerNOx降低NOx排放higherPMandlessfueleconomy增加PM,降低燃油经济性HPL-EGR高压EGREasiertoimplement容易实施Recirculatedexhaustisdirty再循环废气不不干净MoredifficulttodistributeEGRevenlytoallcylinders将EGR分配给各个气气缸困难LPL-EGR低压EGRMoreNOxreduction,lessenginewearNOx降低更多，更更少发动机磨磨损Morecomplicatedandexpensivetoimplement实施复杂，成成本更高RequiresaPMfilter需要PM过滤器A.EGR废气再循环3.4后处理技术二、新一代清清洁柴油车发发展思考Excellentthermalstability卓越热稳定性性HighNOxconversionrate高的NOx转化率B.Urea-SCR尿素-选择催化还原原技术DOCDPFSCR3.4后处理技术二、新一代清清洁柴油车发发展思考C.DPF颗粒捕集器DPFStructureDPF结构Flow-throughDPF(DOC)(≥25%,mass)减少颗粒物排放25%以上Partial-flowDPF(≥≥50%,mass)减少颗粒物排放50%以上Wall-flowDPF(≥≥85%,mass)减少颗粒物排排放85%以上DPFregenerationDPF再生Activeregeneration主动再生–extraenergyrequired(toraisetemperature)需要额外能量量来提高温度度Passiveregeneration被动再生–Noextraenergyrequired,withorwithoutadditives不需要额外能能量，可能需需要附加剂3.4后处理技术二、新一代清清洁柴油车发发展思考awideflowrangeallowinghigher

boostpressuresat

lowenginespeeds在低速时高增增压压力的大大范围流量调调节Increasedusableenginespeedrange增加可用的发发动机转速范范围Increasedlowspeedtorque提高低转速扭扭矩ReducingTransientResponsetime减少瞬态响应应时间fewergearchangesandcanreducetruckfuelbills更少的换档时时间和油耗LessResponsetime更少的响应时间间A.VariableGeometryTurbocharger(VGT)可变截面涡轮轮增压器技术术3.5增压技术二、新一代清清洁柴油车发发展思考Advantages优势Enableshigherenginehorsepowerdensityforenginedownsizingandincreasedpowerlevels在发动机小型型化和功率率增加的情情况下，提高发动机功率率密度Efficientultra-highboostingcapabilitywithfewerturbolimitations减少限制因素，，实现有效效的超高增增压Extendedairflowrangeflexibility扩展了空气流量量范围的灵灵活性Superioraltitudeaircapabilities卓越的高海拔空空气适应能能力Reducedairhandlingcontrolcomplexity降低换气控制的的复杂性B.Two-Stageturbochargerwithintercooler两级增压技技术3.5增压技术二、新一代代清洁柴油油车发展思思考AdvancedTurbochargers先进的增压技术VGT可变截面涡轮增压器2-StageTurbocharger两级涡轮增压器Materials材料Mechatronics

机电一体化AerodynamicDesign空气动力学设计ComputationalFluidDynamics(CFD)计算流体力学SimulationandMatching

模拟与匹配Noise,VibrationandHarshness(NVH)噪声、振动和平顺性StressFatigue&ThermalAnalysis应力疲劳和热分析Bearings轴承3.5增压技术二、新一代代清洁柴油油车发展思思考Theapplicationofhybridsystemonheavydutytruckswillbring10%decreasetofuelconsumptionwhichissignificanttoChina’senergysituation.对于重型商用车车，混合动动力系统的的应用能够够改进约10%的油耗，对对于中国的的能源现状状具有重要要意义。4.新一代清洁洁柴油车技技术路径（（混合动力力）二、新一代代清洁柴油油车发展思思考SeriesModeEnginenotdirectlyconnectedtodrivewheelsParallelModeLowrange,tractionmotorANDgeneratorengagedParallelModeLowrange,tractionmotordisengaged,generatorengagedNeutral

ParallelMode