内燃机效率及其潜在技术共36页
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 2019年欧盟颁布了强制性汽车CO2排放法规: • 2019年轿车的CO2平均排放低于130g/km（Regulation’
(EC)NO.715/2019） • 2019年低于95g/km • 2019-2019年轻型商用车的CO2排放比2019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
△传感器及信息处理 技术
△基于模型的控制技
内燃机智能控制技术要素（3）
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
• 美国橡树国家重点实验室的David L. Greene以 及美国田纳西大学的Howard H. Baker[9]在 2019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
• 2019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：
• 理论上：
• 实际上：摩擦、燃烧的不可逆 损失；材料；成本等限制
2.关于柴油机/内燃机热效率的极限 的讨论
• 美国橡树国家重点实验室的C. S. Daw[8]等人 在2019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%。
Period of petroleum depletion
1950
2000
(370 ppmv) (T = 0.8 C)
2050 2075 (560 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱpmv) (T = 3 C)
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
各国加强了对提高内燃机和车辆效 率的强制规定
– CO2是最主要排放物
CO2减排将是内燃机技术未来发展的主要影响因素
Billions of Tons of Carbon Emitted per Year Period of petroleum depletion Era of coal, tar sand, and oil shale
石油资源可提供50100年？ 政治冲突的根源；
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%
典型的节能技术
传统柴油机
减少摩擦损失 结构轻量化
优化动力传动系统
PPC部分预混压燃燃烧
灵活高压喷射 可变压比
全可变气门
增加压缩比，燃烧室 优化气体交换过程
代用燃料 (CH4,H2,SynFuels) 增压，小型化
均质稀燃
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
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；
14
7
1850 (280 ppmv) (T = 0 C)
Historical emissions
Projected carbon path
• 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。
提高柴油机的经济性成为新的挑战
– 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
• △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
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）
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
内燃机智能控制技术要素（3）
• 1.可变附件系统
• 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。
2019中国商用车柴 油机技术发展研讨会
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
2019.05.23
主要内容
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
1.提高内燃机效率的重要意义
• 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]。
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。
2.关于柴油机/内燃机热效率的极限 的讨论
卡诺循环：
内燃机循环
• 闭口循环 • 必须将工质的热量释放至环境
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
(EC)NO.715/2019） • 2019年低于95g/km • 2019-2019年轻型商用车的CO2排放比2019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
△传感器及信息处理 技术
△基于模型的控制技
内燃机智能控制技术要素（3）
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
• 美国橡树国家重点实验室的David L. Greene以 及美国田纳西大学的Howard H. Baker[9]在 2019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
• 2019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：
• 理论上：
• 实际上：摩擦、燃烧的不可逆 损失；材料；成本等限制
2.关于柴油机/内燃机热效率的极限 的讨论
• 美国橡树国家重点实验室的C. S. Daw[8]等人 在2019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%。
Period of petroleum depletion
1950
2000
(370 ppmv) (T = 0.8 C)
2050 2075 (560 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱpmv) (T = 3 C)
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
各国加强了对提高内燃机和车辆效 率的强制规定
– CO2是最主要排放物
CO2减排将是内燃机技术未来发展的主要影响因素
Billions of Tons of Carbon Emitted per Year Period of petroleum depletion Era of coal, tar sand, and oil shale
石油资源可提供50100年？ 政治冲突的根源；
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%
典型的节能技术
传统柴油机
减少摩擦损失 结构轻量化
优化动力传动系统
PPC部分预混压燃燃烧
灵活高压喷射 可变压比
全可变气门
增加压缩比，燃烧室 优化气体交换过程
代用燃料 (CH4,H2,SynFuels) 增压，小型化
均质稀燃
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
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；
14
7
1850 (280 ppmv) (T = 0 C)
Historical emissions
Projected carbon path
• 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。
提高柴油机的经济性成为新的挑战
– 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
• △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
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）
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
内燃机智能控制技术要素（3）
• 1.可变附件系统
• 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。
2019中国商用车柴 油机技术发展研讨会
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
2019.05.23
主要内容
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
1.提高内燃机效率的重要意义
• 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]。
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。
2.关于柴油机/内燃机热效率的极限 的讨论
卡诺循环：
内燃机循环
• 闭口循环 • 必须将工质的热量释放至环境
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