重型柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)

1、 1重型重型柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)柴油機(jī)節(jié)能減排技術(shù)濰柴動力股份有限公司濰柴動力股份有限公司 李勤李勤 博士博士 2015.10.22. 上海安亭上海安亭內(nèi)容提要內(nèi)容提要l 節(jié)能技術(shù)及評估節(jié)能技術(shù)及評估l 排放控制技術(shù)排放控制技術(shù)2 3關(guān)于車輛、傳動方面關(guān)于車輛、傳動方面降能耗的頭腦風(fēng)暴降能耗的頭腦風(fēng)暴 4 車輛運(yùn)行的阻力車輛運(yùn)行的阻力 l 摩擦力摩擦力l 迎風(fēng)阻力迎風(fēng)阻力l 攀升力攀升力l 加速力加速力 4 5 減少車輛運(yùn)行阻力的途徑減少車輛運(yùn)行阻力的途徑 l 摩擦力摩擦力路面、輪胎路面、輪胎l 迎風(fēng)阻力迎風(fēng)阻力風(fēng)阻系數(shù)、車聯(lián)網(wǎng)風(fēng)阻系數(shù)、車聯(lián)網(wǎng)l 攀升力攀升力打洞架橋打洞架橋l 加速力加速力駕駛

2、習(xí)慣駕駛習(xí)慣 5 6 傳動傳動過程中的能耗過程中的能耗 城市公交車油門到底，城市公交車油門到底，輪邊扭矩不到額定功率的輪邊扭矩不到額定功率的60% ! 卡車？卡車？卡車常用轉(zhuǎn)速？卡車常用轉(zhuǎn)速？ 傳動過程的能耗是很驚人的！傳動過程的能耗是很驚人的！6 7 傳動的各種形式傳動的各種形式 機(jī)械傳動機(jī)械傳動 液壓液壓氣動氣動電動電動7 8 傳動的各種形式傳動的各種形式 機(jī)械傳動機(jī)械傳動 液壓液壓氣動氣動電動電動混合動力和混合動力和新能源應(yīng)在傳動上有所創(chuàng)新新能源應(yīng)在傳動上有所創(chuàng)新8 9Downsizing? Downspeed? 10典型四氣門自吸汽油機(jī)的換氣損失典型四氣門自吸汽油機(jī)的換氣損失12345

3、62468101214 30 25 20 15 10 8 6 4 2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 x1000 RPMx1000 RPM平均有效壓力平均有效壓力 bar(IMEPL / IMEP) * 100 %IMEP= IMEPH-IMEPLEOIOECICTDCBDCIMEPL資料來源：資料來源：FEV 11典型四氣門自吸汽油機(jī)的換氣損失典型四氣門自吸汽油機(jī)的換氣損失1234562468101214 30 25 20 15 10 8 6 4 2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 x1000 RPMx1000 RPM平均有效壓力平均有效壓力 bar(IMEPL / IMEP) * 100 %IMEP= IME

4、PH-IMEPLEOIOECICTDCBDCIMEPL資料來源：資料來源：FEV排排量量增增大大 12增壓汽油機(jī)的負(fù)荷控制方式增壓汽油機(jī)的負(fù)荷控制方式( (僅示意僅示意) )1234562468101214 10 2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 x1000 RPMx1000 RPM平均有效壓力平均有效壓力 bar(IMEPL / IMEP) * 100 %IMEP= IMEPH-IMEPLEOIOECICTDCBDCIMEPL增壓壓力控制增壓壓力控制 13Downsizing對發(fā)動機(jī)降能耗的作用對發(fā)動機(jī)降能耗的作用汽油機(jī)：汽油機(jī)： l 縮小節(jié)氣門控制區(qū)，減小換氣損失縮小節(jié)氣門控制區(qū)，減小換氣損失l

5、提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率13 14Downsizing對發(fā)動機(jī)降能耗的作用對發(fā)動機(jī)降能耗的作用汽油機(jī)：汽油機(jī)： l 縮小節(jié)氣門控制區(qū)，減小換氣損失縮小節(jié)氣門控制區(qū)，減小換氣損失l 提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率柴油機(jī)：柴油機(jī)： l提高提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率負(fù)荷率，提高機(jī)械效率14 15Downspeeding的主要作用的主要作用l 提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率提高負(fù)荷率，提高機(jī)械效率l 減小運(yùn)動副的相對速度，減小摩擦功減小運(yùn)動副的相對速度，減小摩擦功15 16歐洲重型卡車后橋速比的變化歐洲重型卡車后橋速比的變化16資料來源資料來源：AVL 17歐洲重型卡

6、車發(fā)動機(jī)歐洲重型卡車發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速的變化常用轉(zhuǎn)速的變化17資料來源資料來源：AVL 18某發(fā)動機(jī)的平均摩擦壓力脈譜某發(fā)動機(jī)的平均摩擦壓力脈譜18資料來源資料來源：FEV 19Downspeeding對發(fā)動機(jī)外特性的要求對發(fā)動機(jī)外特性的要求19資料來源資料來源：AVL 20Downspeeding對發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力的影響對發(fā)動機(jī)爆發(fā)壓力的影響20資料來源資料來源：AVL 21Downspeeding降摩擦損失的效果降摩擦損失的效果 0.80.850.90.95120010001000平均摩擦損失平均摩擦損失 壓力壓力 bar發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 rpm耐200 bar爆壓發(fā)動機(jī)的平均摩擦壓力主軸承

7、連桿軸承冷卻水泵爆發(fā)壓力爆發(fā)壓力200 bar爆發(fā)壓力爆發(fā)壓力200 bar爆發(fā)壓力爆發(fā)壓力240 bar 22重型車用柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)探討重型車用柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)探討 23未來降低油耗和未來降低油耗和CO2排放的措施排放的措施l 提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率l 減小排量減小排量 + 混合動力混合動力l 余熱和廢氣能量余熱和廢氣能量 24l 減小摩擦副損失減小摩擦副損失l 減小附件損耗，應(yīng)用可變附件減小附件損耗，應(yīng)用可變附件l 優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)（包括增壓器和優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)（包括增壓器和EGR）l 優(yōu)化排氣系統(tǒng)優(yōu)化排氣系統(tǒng) 節(jié)油潛力在節(jié)油潛力在10%以上以上增加成本增加成本2萬元以內(nèi)萬元以內(nèi)提高發(fā)

8、動機(jī)機(jī)械效率提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率 25l 減小摩擦副損失減小摩擦副損失l 減小附件損耗，應(yīng)用可變附件減小附件損耗，應(yīng)用可變附件l 優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)（包括增壓器和優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)（包括增壓器和EGR）l 優(yōu)化排氣系統(tǒng)優(yōu)化排氣系統(tǒng) 節(jié)油潛力在節(jié)油潛力在10%以上以上增加成本增加成本2萬元以內(nèi)萬元以內(nèi)更重要的是研發(fā)和制造文化的改善更重要的是研發(fā)和制造文化的改善提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率提高發(fā)動機(jī)機(jī)械效率 26l 提高部分負(fù)荷的機(jī)械效率提高部分負(fù)荷的機(jī)械效率l 制動能量的回收制動能量的回收節(jié)油潛力在節(jié)油潛力在15%左右左右增加成本增加成本20萬元萬元減小排量減小排量+混合動力混合動力 27l 動力渦輪動力渦輪l 郎肯循

9、環(huán)郎肯循環(huán)l 熱電發(fā)電熱電發(fā)電節(jié)油潛力在節(jié)油潛力在5%左右左右增加成本增加成本5萬元萬元余熱和廢氣能量利用余熱和廢氣能量利用 28051015205 10 15 20 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15每年運(yùn)行每年運(yùn)行 20 萬公里萬公里百公里油耗百公里油耗 40 升升節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性 29051015205 10 15 20 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性

10、燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性l 提高機(jī)械效率提高機(jī)械效率 30051015205 10 15 20 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性l 提高機(jī)械效率提高機(jī)械效率l 混合動力混合動力 31051015205 10 15 20 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性l 提高機(jī)械效率提高機(jī)械效率l 混合動力混合動力l 余熱利用余熱利用

11、 32北京燃油價格的發(fā)展北京燃油價格的發(fā)展345678920042004年年20062006年年20082008年年20102010年年20122012年年20142014年年20162016年年20182018年年燃油價格燃油價格 ( (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 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性l 提高機(jī)械效率提高機(jī)械效率l 混合動力混合動力l 余熱利用余熱利用

12、 34051015205 10 15 20 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性l 提高機(jī)械效率提高機(jī)械效率l 混合動力混合動力l 余熱利用余熱利用當(dāng)前當(dāng)前 35051015205 10 15 20 每年節(jié)省燃油費用每年節(jié)省燃油費用 （萬元）（萬元）燃油價格燃油價格 （元（元/ /升）升）0.050.10.15節(jié)油率節(jié)油率燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性燃油價和重型車節(jié)油經(jīng)濟(jì)性l 提高機(jī)械效率提高機(jī)械效率l 混合動力混合動力l 余熱利用余熱利用當(dāng)前當(dāng)前2020 36排

13、放控制技術(shù)排放控制技術(shù) 37NOx PM HDEHDELDVLDV扭矩扭矩發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)排放法規(guī)主要考核的工況區(qū)排放法規(guī)主要考核的工況區(qū) 38柴油機(jī)主要排氣污染物的形成條件柴油機(jī)主要排氣污染物的形成條件ppm NO5001006020碳煙形成碳煙形成30002500200015001000500000,51,01,52,0過量空氣系數(shù)過量空氣系數(shù)溫度溫度K燃燒混合氣燃燒混合氣 3939l NOx 高溫及高溫的持續(xù)時間高溫及高溫的持續(xù)時間 l PM 高溫缺氧高溫缺氧柴油機(jī)主要污染物的產(chǎn)生條件柴油機(jī)主要污染物的產(chǎn)生條件 4040l 降降NOx 推遲

14、噴射時刻，縮短噴射時間，推遲噴射時刻，縮短噴射時間，l 降降PM 增壓增壓增壓中冷對降增壓中冷對降NOx和和PM作用都很大作用都很大降低柴油機(jī)主要污染物的傳統(tǒng)手段降低柴油機(jī)主要污染物的傳統(tǒng)手段 41NOx PM HDEHDELDVLDV扭矩扭矩發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)排放法規(guī)和排氣再循環(huán)的最佳作用范圍排放法規(guī)和排氣再循環(huán)的最佳作用范圍 EGR最佳作用區(qū)最佳作用區(qū) 422021-10-1442排氣再循環(huán)在柴油機(jī)上的應(yīng)用排氣再循環(huán)在柴油機(jī)上的應(yīng)用輕型車：輕型車：l 歐歐1以來有較多的應(yīng)用以來有較多的應(yīng)用重型機(jī)：重型機(jī)：l歐歐3以來有少量應(yīng)用以來有少量應(yīng)用 4

15、3NOx PM HDEHDELDVLDV扭矩扭矩發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 (rpm)排放法規(guī)和排放法規(guī)和SCR的作用范圍的作用范圍 SCR作用區(qū)作用區(qū) 44歐洲5歐洲4歐洲3SCR降NOx 催化器微粒后處理器DPF/POC排氣再循環(huán)EGR國國4重型柴油機(jī)的技術(shù)路線重型柴油機(jī)的技術(shù)路線 45歐洲5歐洲4歐洲3SCR降NOx 催化器國國5重型柴油機(jī)的技術(shù)路線重型柴油機(jī)的技術(shù)路線 46 重型發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)重型發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán) (加權(quán)系數(shù)加權(quán)系數(shù)) 47 重型發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán)重型發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)循環(huán) (NOx排放值分布排放值分布) 4848瞬態(tài)循環(huán)的工況分布瞬態(tài)循環(huán)的工況分布 49微

16、粒捕集器微粒捕集器DPF歐歐6重型車用柴油機(jī)重型車用柴油機(jī)的傳統(tǒng)技術(shù)的傳統(tǒng)技術(shù)路線路線歐歐6國國5國國4 4SCR降降NOx 催化器催化器EGR 50歐歐6重型車用柴油機(jī)的常規(guī)技術(shù)路線重型車用柴油機(jī)的常規(guī)技術(shù)路線 51WP7 EURO6 Diesel Engine 52傳統(tǒng)歐傳統(tǒng)歐6技術(shù)路線的特點和難點技術(shù)路線的特點和難點全脈譜的高全脈譜的高EGR率導(dǎo)致全負(fù)荷氧氣不足率導(dǎo)致全負(fù)荷氧氣不足需要高增壓來彌補(bǔ)需要高增壓來彌補(bǔ)缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力的提高缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力的提高發(fā)動機(jī)需要重新設(shè)計發(fā)動機(jī)需要重新設(shè)計 53國國6傳統(tǒng)技術(shù)路線的瓶頸傳統(tǒng)技術(shù)路線的瓶頸l 需要承受需要承受200bar以上的爆發(fā)壓力以上

17、的爆發(fā)壓力l 這個平臺升級到市場接受耗時這個平臺升級到市場接受耗時5-10年年l 或大幅度降低發(fā)動機(jī)的功率（下降或大幅度降低發(fā)動機(jī)的功率（下降15%以上）以上）53 54重型發(fā)動機(jī)歐重型發(fā)動機(jī)歐6排放控制策略排放控制策略Emission Control StratgySCR OnlyNo EGR 55 重型發(fā)動機(jī)歐重型發(fā)動機(jī)歐6排放控制策略排放控制策略 - SCR + 非冷卻非冷卻EGR 方案方案SCR OnlyNo EGR SCR + EGR（w/o Cooler） 56 重型發(fā)動機(jī)歐重型發(fā)動機(jī)歐6排放控制策略排放控制策略 - 純純SCR方案方案 No EGR SCR Only 57微粒捕集

18、器微粒捕集器DPF歐歐6重型車用柴油機(jī)的技術(shù)路線重型車用柴油機(jī)的技術(shù)路線歐歐6國國5國國4 4SCR降降NOx 催化器催化器EGR 58微粒捕集器微粒捕集器DPF歐歐6重型車用柴油機(jī)的技術(shù)路線重型車用柴油機(jī)的技術(shù)路線歐歐6國國5國國4 4SCR降降NOx 催化器催化器EGR X 59 無無EGR柴油機(jī)的優(yōu)點柴油機(jī)的優(yōu)點 不需要太高的增壓壓力不需要太高的增壓壓力 不產(chǎn)生過高的爆發(fā)壓力不產(chǎn)生過高的爆發(fā)壓力 對增壓器和對增壓器和 燃油噴射系統(tǒng)的要求相對較低燃油噴射系統(tǒng)的要求相對較低 不額外增加整車?yán)鋮s系統(tǒng)的需求不額外增加整車?yán)鋮s系統(tǒng)的需求 減少了減少了EGR系統(tǒng)所帶來的各種故障系統(tǒng)所帶來的各種故障

19、60歐洲各種降排放技術(shù)的成本分析歐洲各種降排放技術(shù)的成本分析相對成本相對成本 61EGR302468代價代價NOx (g/kW.h)EGR（1:2）Adblue實際價格EGR（1:1.25）Adblue價格是柴油的一半 3克以下克以下都用都用SCR，代價相同代價相同SCREGR和和SCR降降NOx的代價的代價在相同的條件下，純在相同的條件下，純SCR有營運(yùn)成本的優(yōu)勢。有營運(yùn)成本的優(yōu)勢。 62 SCR系統(tǒng)控制和系統(tǒng)控制和OBD的難點的難點0246810NOx g/kWh難點！SCR Only EGR + SCR 63歐歐6重型車用柴油機(jī)重型車用柴油機(jī)的技術(shù)的技術(shù)路線路線X 64DPF再生方式再生方式被動再生被動再生主動再生主動再生DOCDOCDPFDPF 65DPF主動再生主動再生主動再生主動再生DOCDPFl 通過發(fā)動機(jī)措施使通過發(fā)動機(jī)措施使DOC前排溫達(dá)到前排溫達(dá)到300 OC以上以上 l 缸內(nèi)或排氣管后噴的燃油在缸內(nèi)或排氣管后噴的燃油在DOC