内燃机节能潜力和技术途径探讨

内燃机节能潜力和技术途径探讨汇报人：谢辉天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室2013.06.15，天津发动机节能技术途径缸内节能－燃烧技术缸外节能－能量综合利用路上节能－人车路协调1.缸内节能技术－燃烧技术基于废气管理的汽油机高效燃烧技术汽油机节能减排技术汽油机节油核心问题节气门控制负荷-泵气损失排放要求当量空燃比-低比热比火焰传播速度有限-低等容度新技术的多样性小型化&增压缸内直喷进气门控制负荷HCCI均质压燃以HCCI燃烧为代表的高稀释低温燃烧具有更高的节油减排潜力PFI汽油机:drive-by-airinjectorSpark小负荷时泵气损失达到40%IOECICGDI稀薄燃烧:drive-by-fuelEGRcatalyticconvertercamshaftreferenceSparkElectronicThrottleknocksensor节油10％～15％GDI系统的成本后处理系统的成本对燃油品质的要求废气率和温度小大高低有效容积负荷废气驱动燃烧：drive-by-residualsExDrive©HCCI燃烧：drive-by-residuals当量空燃比下内部残余废气HCCI，部分负荷油耗降低5%～30%0％废气SI范围HCCI范围75％废气SI40％废气20％废气SI-HCCIHCSISCSISICIHCCISCSI

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>1EngineSpeedEngineLoad可燃气废气虚拟可变排量废气稀释燃烧在全部工况范围内通过全可变气门机构结合外部废气再循环，实现当量空燃比下废气稀释的汽油机低温高效燃烧。0％废气SI范围HCCI范围75％废气SI40％废气20％废气SI-HCCI2.拓展HCCI到更低的废气率3.实现稀释条件下的SI1.拓展低温燃烧到更低负荷消除燃烧模式转换的问题实现负荷控制无缝衔接废气稀释燃烧小大高低废气率负荷可燃气废气虚拟可变排量

drive-by-exhaust废气对负荷的连续调节系统调节的连续性，系统的可控性HCCI原理样机4*92mm,2.2L4个缸压传感器4个进气压力传感器4个空燃比传感器4个进气道喷嘴4个直喷喷嘴外部EGR汽油机高效低温燃烧的节油效果NEDC循环工况综合节油15.6%节油17.5%节油10.5%节油6.7%节油5.3%怠速工况节油20%燃烧技术的创新仍然是节能的重要年技术途径基于废气驱动的高效低温燃烧是极具潜力、切实可行的汽油机节油技术。小结2.缸外节能－能量综合利用内燃机热-电混合动力系统电动水泵电动风扇ISG电机动能热存储朗肯循环动力涡轮热电材料发电机电动机发电机余压能余热余热蓄电池运行循环内燃机车辆道路燃油曲轴机械能热存储冷却水规划、协调、控制能源网络特征：多梯级多路径动态循环原理性样机总能效率提高15%

内燃机热电复合能量系统全历程仿真平台发动机354kW整车总质量28吨完整的能流路径：产生-回收-存储-使用可用于研究系统的动态效率特征以及系统之间的相互耦合影响规律完整的控制框架：可用于系统控制策略的研究与优化，研究能流路径之间的动态规划道路工况数据库：可用于研究不同道路工况的能量回收和使用特性完整的运行过程：

动态运行循环全历程概念：动力涡轮系统的效率评价（设计域—运行域—控制域）

电辅助纯电动并联串联运行域：运行工况的影响1900rpm全负荷，不同动力涡轮效率对比原机电辅助串联纯电动并联运行效率65.40%62.20%62.40%70.30%转化效率24.10%15.70%22.70%16.70%总能效率41.60%44.40%42%43.80%43.40%总能效率提升6.73%1.00%5.30%4.30%设计域:结构形式的影响控制域：控制参数的影响涡前压力控制运行HUDDS电辅助动力涡轮无控制跟踪效果差有控制跟踪效果好总能效率提升6.60%8.20%运行效率和转化效率共同影响系统总能效率。电辅助涡轮总能效率最高，总能效率提升6.73%。运行工况不同总能效率发生改变。电辅助涡轮总能效率在公交工况可提升8%。

朗肯循环系统的效率评价（设计域—运行域—控制域）额定点工况2100rpm100%load蒸发压力30bar过热度10K冷凝压力3bar转换效率7.55%转换效率6.54%转换效率5.58%运行工况的影响（1）朗肯循环对点工况具有较好的适应性，工作模式和功率输出更加平稳，能量回收效率较高；

道路工况下加减速比例越大，转化效率越低。（2）提高蒸发器热容量，利于减小朗肯循环工作模式和功率输出的波动，提高转化效率。高速工况公交工况运行域转换效率6.05%转换效率7.55%转换效率6.85%热容量14kJ/K热容量56kJ/K设计域设计参数的影响HUDDSHUDDS工质流量固定，蒸发温度不控制调节工质流量，控制蒸发温度做功模式所占的时间比例32.72%转换效率3.53%转换效率5.25%做功模式所占的时间比例79.91%（1）道路工况条件下，控制品质对朗肯循环的能量回收效率有很大影响；（2）系统关键部件必须具备一定的可调节能力：工质泵：在不显著改变扬程的前提下，大范围调节流量——控制蒸发温度膨胀机：膨胀机能够调节耗汽量，适应蒸汽量的变化——控制蒸发压力

朗肯循环系统的效率评价（设计域—运行域—控制域）热电直接转换装置的效率评价换热系数/W/(m^2*k)9060平均运行效率/%5.142.56循环发电量/kJ128.272.55换热系数的影响设计域运行工况的影响运行域冷源温度控制的影响控制域换热系数从90->60W/(m^2*k)，循环发电量降低了43.4%，平均运行效率降低了50.2%。运行工况泰达公交HUDDS平均运行效率/%5.495.14平均发电功率/W140.2118.6与HUDDS工况相比，泰达公交工况平均运行效率提高6.8%，平均发电功率提高18.2%。冷源温度50℃25℃平均运行效率/%4.395.14循环发电量/kJ85.88128.2冷源温度从50->25℃，循环发电量提高了49.3%，平均运行效率提高了17.1%。HUDDS换热系数90HUDDS材料：HZ-20Bi2Te3铺设面积：0.35m^2主动热管理系统的效率评价设计域附件形式总能效率%回收能量使用率%机械附件00电动风扇+机械水泵2.8224.04电动风扇+电动水泵2.925.69目标水温运行效率%总能效率%回收能量使用率%360K274.85.239.91368K16605.26.6电动附件可以有效提高总能效率和回收能量使用率运行域控制域运行效率随运行工况

变化明显在两种工况下

运行效率均大于100%

（收益大于代价）降低目标水温，可显著提高回收能量利用率系统结构的影响运行工况的影响控制参数的影响

ISG电驱动系统的效率评价（设计域—运行域—控制域）

制动能增加，电辅助驱动的总能效率和电驱动贡献率将提高运行工况总能效率17.85%总能效率7.44%总能效率5.58%总能效率10.93%加速工况比例和平均车速能够提高总能效率制动回收比例电回收=0%电回收=0%电回收=14.48%电回收=11.22%基于效率模型的控制器及验证（动力涡轮－电动风扇系统）原机无涡前压力及出口水温控制涡前压力及出口水温优化控制总能效率35.10%37.40%38.10%总能效率改进6.6%8.6%基于全历程总能效率优化控制可实现能量回收—存储—运用的协调管理，相对总能效率提高8.6%。HUDDS工况下最佳涡前压力跟随效果余热能利用具有诱人的节能潜力但需要先进的技术手段，装置和控制小结3.路上节能的潜力城市公交道路节能技术探讨司机特性对油耗的影响TitleandSubtitle:AnalyzingVehicleFuelSavingOpportunitiesthroughIntelligentDriverFeedback（SAE2012-01-0494）Performingorganization:NationalRenewableEnergyLaboratory实验条件：城市工况与高速工况两名司机MercedesC100OBD@1s油耗通过仿真模型得出每个人以三种风格驾驶城市工况下30%油耗差距高速工况下17%油耗差距NationalRenewableEnergyLaboratory司机特性对油耗的影响Eco-Driving:Strategic,Tactical,andOperationalDecisionsoftheDriverthatImproveVehicleFuelEconomyPerformingorganization:UniversityofMichigan优化驾驶风格措施节油潜力最大！道路工况对油耗的影响工况节油工况节油潜力和因素分析坡度信息节油红绿灯节油速度和加速度限制优化4%—5%3.8-22.2%4.5%-16.44%>=34%公交车辆道路节油技术途径能量利用率仅为

15%-25%速度

km/h主动轮功率

kW时间低负载、低效率运转怠速燃料的浪费刹车能量白白消耗时间进站遇红灯进弯道出站变绿灯出弯道合理分布发动机运行工况点观测路况，优化减速，减少制动培训司机习惯实时提示司机依据线路需求选择发动机和传动优化驾驶行为优化工况分布规划速度曲线，设置滑行策略依据线路特征配置ECU控制参数公交节油技术路线“四层三纵”OBD整车CAN数据采集平台数据预处理数据重构司机特征分析道路特征分析车辆建模分析65个站点标定25红绿灯标定特征速度走廊数据滤波S1939解析档位重构负载重构坡度重构离合重构数据存储典型特征工况数据回放驾驶特征参数司机驾驶模型司机特性辨识驾驶行为综合评价驾驶提示辅助节油驾驶风格油耗27个弯道标定工况油耗关系司机工况模型宇通ZK6902模型数据-模型互标定工况辨识节油工况自学习适应算法节油进出站提示节油坡度预测提示节油工况车型匹配节油司机辨识辅助节油发动机车型匹配节油L1数据采集L2数据处理L3油耗特性L4节油优化司机驾驶优化工况特征优化整车匹配优化采集整车CAN消息、GPS、地图等信息对采集的直接数据进行数据预处理，剔除错误数据，还原间接测量量针对影响整车油耗的司机驾驶特征、道路工况特征和整车集成配置形成主体分析群对油耗影响的司机特征、道路特征和整车匹配设计标定提供针对的节油方案研究平台–数据采集及运行监控实时解析、监控、显示信息终端采集的数据，并可以对车速、踏板、转速、小时油耗等信息进行绘图。多车同步跟踪实车数据监控车辆信息可配置网络地图实时跟踪研究平台—数据管理及分析优化Internet实时监控平台统计分析平台整车仿真平台人-车-路数据库数据中转中心省会市区省会郊区直辖市三线城市车辆行驶规划司机行为优化线路特征分析研究对象—503路柴油公交客车车辆宇通ZK6902HGA玉柴YC6J200-42名称技术参数整备质量9000kg迎风面积7.79m2变速箱5档手动机械变速箱型式立式直列水冷四冲程缸数6缸径×行程105mm×125mm排量6.949L额定功率147kW额定功率转速2100r/min道路503线路轻轨东海路-天津西站北广场司机9206,9209,9221三辆车6位司机司机车辆号驾龄A1922110年A292219年B1920613年B2920616年C1920925年C2920916年503路张波师傅研究条件—大量实际运行数据监控时间：2012年5月7号至2013年5月8号，历时366天，涵盖春季、夏季（空调）、秋季、冬季（暖风）监控车辆：公交三公司9206号、9209号、9221号柴油公交客车监控线路：503线路，跨滨海新区（城郊）—东丽区（高速）—河西区-和平区-南开区-红桥区（市区），三种典型路况监控数据：累计运行里程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，市区路段29.76L/100km监控车辆3监控时间3106.9h监控里程77672.4km数据处理关键技术获得完整的人、车、路信息油耗重构技术驾驶操作重构技术负载重构技术里程测量算法弯道和坡度辨识算法对原车不做任何改动典型结果司机操作优化手段-控制参数优化目标手段效果驾驶行为不变，平均油耗节约8.4%司机驾驶行为优化–定向培训指导针对每个司机各个工况下的实际操作特征，提供定向的驾驶操作培训指导。

仿真结果表明，高速段实际司机驾驶的速度曲线其百公里油耗为20.76L/100km，指导后的速度仿真油耗值18.96L/100km，节油效果达到了8.42%。1、2档换3档的速度由11km/h调整到13km/h;2、3档换4档的速度由21km/h调整到