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未来汽车发动机系统的技术展望


未来汽车发动机 系统的技术展望

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内燃机所面临的挑战和危机
? 对油耗和排放越来越严格的法规标准 ? 来自电动汽车和只排水蒸汽的燃料电池 汽车的威胁

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内燃机进一步改进所遇到的 三大主要难题
? 希薄燃烧的排气处理技术
– NOx – PM

? 直喷汽油机的燃烧系统和排气处理
– 低负荷轴效率 – NOx (LNT)

? 均匀混合压燃式发动机(HCCI)的控制技术
– 工作范围的扩大 – 瞬态工况变化的控制

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未来柴油机和汽油机的比例
? 汽油机仍然占主导,80%以上 ? 柴油机在西欧的比例将持续增长

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柴油机和汽油机的比较
-价格
6缸100千瓦汽油机价格分析表

柴油机的价格贵30~50%左右
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柴油机和汽油机的比较
-比功率(power
density)

最先进的高速增压柴油机的重量所带来的比功率减幅20~30%
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柴油机和汽油机的比较
-排放控制
? 汽油机配备一或数个三元催化, 加上 先进的控制技术, 可达到当今最严格 的排放标准 - PZEV; ? 虽然柴油机在燃烧,噪音和排放上有巨 大改进, 仍然没有耐久,价廉的NOx, PM后处理技术能达标。

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柴油机和汽油机的比较
-油耗和CO2
? 西欧和日本的油价约为美国的4倍 ? CO2 促使地球温暖化, 逐渐成为重要排放 指标 ? 理论混合比汽油机的油耗已有很大改善, 余地不多

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1975年以来美国汽车汽油机发展
-油耗和性能
CAF? 引入 35%

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1975年以来美国汽车汽油机发展
-发动机参数变化
增加压缩比

采用4气阀

减小发动机排气量

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柴油机和汽油机的比较
-油耗和CO2

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如何降低汽车发动机油耗

提高轴热效率

? 希薄燃烧PFI ~5-10% ? 成层燃烧直喷汽油机 ~15-20% ? 高速柴油机 ~ 30%, 但是CO2只降20%左 右, 因为柴油含碳量高。

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理论混合比汽油机效率分布

冷却损失,不完全燃烧, 非理想循环损失,尾气损失等 泵气损失 机械摩擦

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发动机效率改善方法
轴热效率 机械效率 机械损失 指示热效率 实际循环损失 理论热效率

辅 助 部 件 损 失

运 动 件 损 失

气 阀 系 统 损 失

泵 气 损 失

燃 烧 效 率

燃 烧 时 间 损 失

热 裂 解 损 失

冷 却 损 失

比 热 比

压 缩 比

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1 提高理论热效率
? 增加汽缸压缩比
– 优化进排气系统和燃 烧系统设计来增强防 爆震能力 – 使用高octane汽油 – 改善爆震控制(传感 器反馈) – 可变几何压缩比 – 可变有效压缩比 (VVT/EMVA)

? 增加比热比以增加膨 胀功
– 空气希薄燃烧系统 (CIDI,DISC,HCCI…) – 高EGR希薄系统

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2 减少实际循环损失(1)
? 减少冷却损失
– 希薄燃烧/EGR系统 – 提高壁温(冷却水温 度控制) – 减小燃烧室面积与容 积比例 – 尾气余热再利用(涡 轮增压)

? 减少热裂解损失
– 减低燃烧温度 – 希薄燃烧/EGR系统

? 减少燃烧时间损失
? 快速燃烧系统 ? 优化活塞运动/加长连 杆

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2 减少实际循环损失(2)
? 提高燃烧效率
– – – – – 改善混合气形成 减小燃烧室面积 减小燃烧室crevice 减小blew-by 提高壁面温度(冷却 水) ? 减少泵气损失
– 希薄燃烧/EGR系统 – 进气加热(利用尾气余热) – 无节气损失(成层燃烧, 进气阀节气,Miller循环) – 可变气阀时间(VVT) – Individual cylinder deactivation – Individual cycle deactivation – 减低排气压力 – 减小排气量,利用增压来 提高比功率

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3 减少机械摩擦损失
? 减少气阀系统损失
– Roller Follower – 减少运动件质量

? 减少辅助件损失
– 提高辅助件工作效率 – 使用可变行程式油泵, 水泵 – 使用电机驱动辅助件 – 电机控制和驱动速度 控制

? 减少活塞摩擦损失
– – – – – 使用双活塞环设计 使用低张力活塞环 减少运动件质量 用低粘度润滑油 分区冷却

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轴热效率改善余地
? 汽油机:
– 现在:<35% – 2020: 40-42%

? 主要技术动态:
?混合气稀释 ?节气阀以外的负 荷控制手段 ?减小发动机容量

? 柴油机:
– 现在:42-45% – 2020: 50-52%

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(1)混合气稀释
- 利用过剩空气或EGR

? ? ? ? ? ? ?

减少泵气损失 减少冷却损失 减少热裂解损失 增加比热比以增加膨胀功 减少排气中的NOx, CO 但增加排气中的HC 由于过量空气时三元催化剂的 NOx转 换效率很低,需要使用高价低性能尚 在开发阶段的稀混合气 NOx催化剂

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主要希薄燃烧系统
? 高速直喷柴油机(HSDI) ? 直喷成层混合希薄燃烧汽油机(DISC) ? 均匀混合压缩着火式希薄燃烧汽油机或 柴油机(HCCI)

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最新高速直喷柴油机的特性
? 油耗比类似PFI汽油机 低40% ? 汽缸几何压缩比18~23 ? 实现所有工况下无节气 运转 ? 大部分具有高涡轮增压 ? 与汽油机相比,重10~ 15%,价格贵30~50%

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最新柴油机技术
? ? ? ? ? ? 多气阀 可变进气系统 可变涡轮增压 可变气阀时间 轻材料(铝,塑料) 高压油轨燃油喷射系统
– 1800~2000bar – 多次喷射 (5次)
? 预喷射:减噪音,降温减NOx ? 多次主喷射:促进预混合,瞬时终了燃烧以减少碳粒形成 ? 后喷射:帮助催化剂处理尾气-温度或油浓度等

– 提高喷油量重复性 (变化<0.2%) – 减小喷油迟后时间 (<0.5CA)
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油轨喷射系统和泵喷嘴的比较
? 油轨喷射系统
– – – – 优越的定压喷射 - 低油耗 可实现多次喷射 价格贵(柴油机价格的1/3) 自耗能量大

? 泵喷嘴
– 价廉 – 自耗少 – 喷射特性较差

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柴油机面临的挑战-排放
? 近年来,高压多次喷射等新技术的采用,已大大降低 尾气中NOx和PM的含量 ? 但随着排放标准收紧,要求柴油机也达到汽油机排放 标准(欧4和美SULEV),这将要求对柴油机尾气中的 NOx和PM实行80~90%转换,但是,目前尚无成熟技术 ? PSA: 用铈作为燃油添加剂来降低碳粒燃烧温度(从 550度降到450度),然后用后喷油加热尾气将碳过滤 器内所积碳粒烧尽 ? 丰田:在碳粒过滤蜂巢上加带有 NOx储存和转换功能 的三元催化剂,希薄燃烧时碳粒被 NOx储存时释放的 活性氧以及尾气中的过剩氧所氧化;当间隔式转成理 论混合比燃烧时,碳粒被 NOx转换时释放的活性氧所 氧化。据称这种方法可以同时达到80%以上的 NOx和 PM转换效率。
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直喷成层混合希薄燃烧汽油机的特性
? 油耗比类似PFI汽油机低15%,若用增压和减 小发动机容量,可达20~25% ? 现有直喷机效率改善只有5~10% ? 汽缸几何压缩比10~12 ? 实现部分工况下无节气或低节气损失运转 ? 低中负荷时采用成层希薄燃烧,高负荷时采用 均匀混合理论空燃比燃烧 ? 采用希薄NOx储存和转换催化剂,需要间隔式 的过油燃烧来转换储积的 NOx -费油 ? 与PFI汽油机相比,价格贵15~20%

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近期市场估计

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均匀混合压缩着火式希薄燃烧发动机的特性
燃油效率可提高50% 极度希薄燃烧,燃油相当浓度可低到0.2 排出的CO和NOx浓度很低( NOx<10ppm) 由于采用均匀混合燃烧,无燃油过浓区,碳 粒排放很少(和PFI汽油机相当) ? 高压缩比,15~18? ? 无 NOx和PM后处理 ? 无成熟产品,尚处于研发阶段 ? ? ? ?

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HCCI面临的技术挑战(1)
? 着火时间控制
– 汽油机:火花塞点火时间 – 柴油机:燃油喷射时间 – HCCI: 混合气自身物理化学状态来决定
? 温度,压力,燃气混合比等,不易主动,直接,准确地加 以控制 ? 容易产生失火和爆震,正常运转范围狭小

? 燃烧放热率控制
– 汽油机:火焰形状和传播的物理过程来控制 – 柴油机:油气混合的物理过程来控制 – HCCI:纯粹化学动力学过程控制。取决于进气温度, 空燃比,EGR量等综合的混合气条件,同时要防止 爆震。
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HCCI面临的技术挑战(2)
? 比功率
– 由于使用希薄混合气,和极度稀释来抑制爆震,发动机的比 功率较低 – 可用增压适当提高比功率

? 冷起动
– 因为温度对着火的重要影响,冷起动时的低进气温度,低壁 面温度,和大气压(若考虑涡轮增压的滞后)将难以起动 – 可能需要不同的燃烧方式或冷起动策略

? 瞬态控制
– 静态工况HCCI的运行已经实现 – 不同工况间瞬态变化很难实现。全范围改变转速负荷时,如 何调节进气温压,喷油时间, EGR量,气阀时间等控制参数 来同时达到适当的着火时间,燃烧特性和可接受的排放

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其他希薄燃烧系统
? 预混合燃烧室
– – – – – – – – 预燃烧室:过浓混合气,先点火 主燃烧室:希薄燃烧 泵气损失大 传热损失大 大量 EGR,泵气损失小 理论混合比燃烧,三元催化有效 燃烧速度减慢 EGR和燃气过混合,失火,高CO,HC

? 成层EGR

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氢气助燃式希薄燃烧
? 优越的氢气燃烧特性
– 超希薄燃烧-快火焰传播速度,宽可燃界限,低着 火能量 – 20~30%燃油效率提高-希薄燃烧,高压缩比,高 比热比 – 微量NOx,CO2,CO,HC排放(润滑油引起)

? 问题
– 比功率低
? 氢气和空气理论混合气的能量只是汽油的85%,即15%较 低的比功率

– 过早预先自着火和backfire – 氢气车载问题(体积,重量,价格,安全性) – 氢气供应网络
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(2)更好的负荷控制技术
? 取代传统的节气阀负荷控制 ? 减少或免除泵气损失 ? 同时保持理论混合比燃烧,所以可继续 使用高转换效率的三元催化剂

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完全连续可变式气阀时间/升程控制
? 特性
– – – – – 用进气阀节气控制负荷 冷起动时早开排气阀实现快速催化剂升温 早开排气阀以加快涡轮增压的瞬态反应 改善缸内气流形成和油气混合 燃油效率改善余地:怠速20~35%,通常路上行驶 10~15% – 三种技术:纯机械式,电磁阀式,电控液压式 – 存在问题:价格,耗能量,耐久性,转速范围,可 变性范围和变化速度与精度,阀着座速度,动量和 噪音( 电磁阀式)

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停缸(Cylinder Deactivation)
? 8缸机可以根据负荷需要运行在6缸或4 缸上 ? 需要电控节气阀,气阀停动装置或全能 可控气阀 ? 燃油效率改善:7%,所停汽缸仍有摩 擦损失 ? 价格:每缸$20~30

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(3)减小发动机容量和重量同时提高 比功率
? 增大发动机最高速度 ? 增大进气效率 ? 减少发动机重量

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增大发动机最高速度
? 汽油机
– 主要运动件将使用高强度轻材料以减小高速时运动 件质量的惯性 – 采用可变气阀时间和可变几何进气系统以达到在全 速度范围内的高进气效率,同时不影响怠速质量 – 在未来20年内,汽油机速度可能会增加500~ 1000rpm

? 柴油机
– 由于燃烧速度受油气混合率影响,而进气流是控制 油气混合的主要因素,现今的高速柴油机再增速的 可能性不大(涡流的进气道损失),高强度轻材料 使用和更强的增压将会更合适

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增大进气效率
? 简单措施
– – – – 调进排气道 增加压缩比以减少缸内残余废气的比例 优化柴油机空气涡流 优化进排气阀时间

? 采用先进的可变系统技术
– 可变几何进气系统 – 可变气阀时间 – 可变几何压缩比(满负荷8:1,低负荷14:1)

? 各种增压技术
– 机械式增压 – 废气涡轮增压 – 可变电力增压
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废气涡轮增压的问题
? 带来排气系统热惯性,减慢催化剂在冷起动后 的升温 ? 从低速低负荷向高负荷转换时,涡轮增压有时 间滞后 ? 低速低负荷工况时不太有效,因为尾气能量低 ? 抬高排气压力,给排气冲程带来阻力 ? 可变几何涡轮增压器使用电控进气叶片,提高 低转速反应速度,提高全转速范围的增压效率 ? 小型高速柴油机基本上都使用涡轮增压, 许 多采用中冷来降温以增加进气量,降低NOx
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发动机重量减轻
选用新材料时注意事项: ? 材料特性
– – – – 重量,密度 价格 强度 热性能:导热,热膨胀,热应 力等 – 疲劳 加工时间 可加工性,变形度 加工机械投资 可连接性(焊接等)

? 使用特性
? ? ? ? ? 抗腐蚀性 NVH特性 回收再利用性 可修理 维修网络

? 产品制造方面
– – – –

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发动机的新材料
? 铝汽缸盖
– 低密度-减少重量 – 较高传热系数
? 提高防爆震能力 ? 允许压缩比提高0.5 ? 允许冷却水路减小,水 量减少 ? 减少热惯性,加快升温

? 铝汽缸体
?于左边相同 ?强度较铸铁差 ?累积疲劳问题

未来:全铝发动机 锰材料

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两个实例
Honda Insight汽油机
– 铝汽缸盖,缸体, 活塞,排气道 – 锰回油盆 – 塑料进气道,气阀 盖等 995cc三缸机重56公斤 PSA-Ford 轻型柴油机
– 铝汽缸盖,缸体 – 特殊热塑料:20%玻璃纤 维加强的PA66尼龙
? ? ? ? ? ? 涡轮增压器出气道 进气道系统 尾气处理系统 汽缸盖外盖 润滑油泵部件 冷却系统部件

总重:98 公斤

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其他技术方向

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混合动力系统
? 轻型混合动力
– 发动机起动,外加辅助性的电力驱动系统来优化能 量分配和管理和回收刹车能量 – 作为主动力,发动机要能满足一定的汽车动态变化, 所以需要复杂的排放控制 – 例子:Toyota Prius,Ford P2000

? 中型混合动力
– 发动机和电力动力相当 – 例子:Benz C-class

? 全混合动力
– 电机起动,外加辅助性内燃机用于电池充电和附加 动力 – 发动机静态运转,简单或无需尾气处理
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? 42V 电气系统
– 发电机效率从50~60%(14V)增加到80%, 相当于15%油耗节省 – 降低电器的电流损耗

? 辅助系统
– 变速式冷却水泵和风扇,2-5%FE – 电辅助式转向系统(EPAS),5%FE – 电辅助式刹车系统 (EPAB)

? Start/stop
– 整合电动发电机 -电机起动,4~5% FE

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未来发动机的机型概念
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 气道喷射希薄燃烧汽油机
省油10%,增价5%,需要希薄NOx催化转换

增压理论混合比燃烧汽油机使用停缸和进气阀节气
省油15%,增价10%,需要全能可变气阀

增压直喷成层混合希薄燃烧汽油机
省油20%,增价20%,需要燃烧系统开发和希薄 NOx催化转换

高增压缩小型理论混合比燃烧汽油机使用变压缩比
省油25%,增价10%,需要可变压缩比技术(几何的或有效的压 缩比)

增压高速直喷柴油机
省油30%,增价50%,需要希薄 NOx和DPM催化转换

均匀混合压燃式发动机
省油30%,增价10%,需要先进控制,增压和低温氧化催化剂

氢气火花点火发动机
省油30%,增价5%,需要氢气供应分配网络系统

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