汽车节能减排技术的开发及应用.pdf

1 汽车节能减排技术的开发及应用汽车节能减排技术的开发及应用 张 兴 业张 兴 业 中国汽车工程学会名誉理事长中国汽车工程学会名誉理事长 Honorary president, Society of Automotive Engineers of China 2007年年11月月15日于上海日于上海 2 ?以汽车电子信息技术和原材料技术为核心的汽车技术 革新、技术发明大量涌现； 以汽车电子信息技术和原材料技术为核心的汽车技术 革新、技术发明大量涌现； ?汽车科技进步将由量变到质变，发生新的技术革命；汽车科技进步将由量变到质变，发生新的技术革命； ?节约燃料、降低排放、提高安全性、改善乘坐舒适性 （ 节约燃料、降低排放、提高安全性、改善乘坐舒适性 （NVH）等法规和市场需求推动了汽车、发动机及动力 传动系的科技创新； ）等法规和市场需求推动了汽车、发动机及动力 传动系的科技创新； ?现代汽车已经由传统机电产品发展成为高新技术产 品； 现代汽车已经由传统机电产品发展成为高新技术产 品； ?汽车产业也已经成为用高新技术装备起来的产业；汽车产业也已经成为用高新技术装备起来的产业； ?汽车智能运输（汽车智能运输（ITS）正在迅速兴起；）正在迅速兴起； ?汽车自主驾驶汽车自主驾驶Autonomous driving正在发展；正在发展； 一、国际汽车工业正处于科技创新时代一、国际汽车工业正处于科技创新时代 （Age of innovation） 3 二、汽车科技创新的战略和措施二、汽车科技创新的战略和措施 ?提高能源转换效率，革新传统内燃机、开发新动力，千方百计节 约能耗、降低排放； 提高能源转换效率，革新传统内燃机、开发新动力，千方百计节 约能耗、降低排放； ?柴油和汽油内燃机的革命性突破，在近期和中期的未来汽车动力 中，传统内燃机仍将占统治地位，还将有重大技术突破，混合动 力和燃料电池将是最终发动机是毫无疑义的； 柴油和汽油内燃机的革命性突破，在近期和中期的未来汽车动力 中，传统内燃机仍将占统治地位，还将有重大技术突破，混合动 力和燃料电池将是最终发动机是毫无疑义的； ?降低汽车质量，开发先进结构，采用低合金高强度钢、轻金属材 料、塑料基非金属材料，降低汽车和车身质量； 降低汽车质量，开发先进结构，采用低合金高强度钢、轻金属材 料、塑料基非金属材料，降低汽车和车身质量； ?实现汽车减速和制动再生，通过电驱动、液压或机械方式将减速 和制动损耗的能量回收利用； 实现汽车减速和制动再生，通过电驱动、液压或机械方式将减速 和制动损耗的能量回收利用； ?改善汽车设计，降低风阻系数和轮胎与地面的滚动阻力系数，提 高附件效率，降低质量，减少电能消耗； 改善汽车设计，降低风阻系数和轮胎与地面的滚动阻力系数，提 高附件效率，降低质量，减少电能消耗； ?开发利用代用燃料，根据资源情况，北美利用玉米及纤维素生产 乙醇 开发利用代用燃料，根据资源情况，北美利用玉米及纤维素生产 乙醇(E85)、南美、南美(巴西甘蔗酒精巴西甘蔗酒精)采用植物乙醇，中国将停用玉米 而发展纤维素乙醇和煤制甲醇和二甲醚： 采用植物乙醇，中国将停用玉米 而发展纤维素乙醇和煤制甲醇和二甲醚： ?大力发展电控、电喷、安全、娱乐、通讯、照明等各类汽车电子 信息产品； 大力发展电控、电喷、安全、娱乐、通讯、照明等各类汽车电子 信息产品； 4 三 、发展电控现代绿色直喷柴油机三 、发展电控现代绿色直喷柴油机 ?欧盟于上世纪欧盟于上世纪90年代率先推广，年代率先推广，2006年新汽车销售中绿色柴油机 轿车已经达到半数以上，而 年新汽车销售中绿色柴油机 轿车已经达到半数以上，而1991年，还不到年，还不到15%； ?采用直喷、增压、中冷技术，采用高压泵喷嘴或共轨喷油技术， 采用废气再循环或液态尿素还原技术，颗粒过滤器等新技术，热效 率由 采用直喷、增压、中冷技术，采用高压泵喷嘴或共轨喷油技术， 采用废气再循环或液态尿素还原技术，颗粒过滤器等新技术，热效 率由45%提高到提高到50%,升功率升功率65-70kw，我国，我国“十一五十一五”规定大排量规定大排量 30kw/升，小排量升，小排量40kw/升，升扭矩升，升扭矩170-180Nm ，使用低硫柴油排 放可达 ，使用低硫柴油排 放可达EUV； ?提高喷油压力，第提高喷油压力，第3代共轨代共轨1800bar，泵喷嘴，泵喷嘴 2050bar； ?发展了压电喷油器，具有发展了压电喷油器，具有7个个135m喷孔，喷油速度更快，有预 喷、主喷和后喷，一般每行程喷油 喷孔，喷油速度更快，有预 喷、主喷和后喷，一般每行程喷油5次，最多的可喷油次，最多的可喷油7次；次； ?近年来正加速发展各种型式的双级增压及可变几何尺寸的涡轮增 压技术； 近年来正加速发展各种型式的双级增压及可变几何尺寸的涡轮增 压技术； ?PSA、福特和、福特和honeywell联合开发了双级增压器、减小发动机尺 寸（ 联合开发了双级增压器、减小发动机尺 寸（Downsizing）提高发动机出力，）提高发动机出力，2.2-LDW12B型、型、4缸柴油 机，输出 缸柴油 机，输出125kW，主要目的是创造一个小型柴油机，代替，主要目的是创造一个小型柴油机，代替PSA系 列中的一个中型发动机，能够达到 系 列中的一个中型发动机，能够达到BMW的的3.0-L增压柴油机相同的 动力工况； 增压柴油机相同的 动力工况； ?2006年美国已按年美国已按EPA要求在全美生产销售低硫（要求在全美生产销售低硫（15ppm）柴油， 美国各大汽车公司都在加速发展现代柴油机； ）柴油， 美国各大汽车公司都在加速发展现代柴油机； 5 四、发展电控缩小尺寸的四、发展电控缩小尺寸的VVT-i汽油机汽油机 ?形式多样，但共同特点是减小尺寸、缸内直喷，增压，双火花点 火，分层稀薄燃烧，变压缩比，变排量，变气门相位和变气门升 程，不仅效率高，排放可达 形式多样，但共同特点是减小尺寸、缸内直喷，增压，双火花点 火，分层稀薄燃烧，变压缩比，变排量，变气门相位和变气门升 程，不仅效率高，排放可达EU和和EUV； ?Valeo开发了无凸轮轴的气门升程（开发了无凸轮轴的气门升程（SVA）机构，可简化变气门 相位和升程的结构； ）机构，可简化变气门 相位和升程的结构； ?现在丰田生产的汽油机已经全部是现在丰田生产的汽油机已经全部是VVT-i变气门相位的，并开发 出变气门升程的双 变气门相位的，并开发 出变气门升程的双VVT-i汽油机；本田也已普及，其第汽油机；本田也已普及，其第8代代Civic 的的1.8-L汽油机已是第汽油机已是第3阶段的变气门相位和升程的阶段的变气门相位和升程的i-VTEC； ?大众用大众用Eaton罗茨罗茨M24增压器和涡轮增压器，开发出增压器和涡轮增压器，开发出1.4-L双增压 汽油机， 双增压 汽油机，125kW/6000rpm和和240Nm/1750-4500rpm，属于，属于 90kw/升，分别装于运动型高尔夫升，分别装于运动型高尔夫GT和途安，百公里油耗仅和途安，百公里油耗仅7.2- L和和7.5-L，优良路况降低到，优良路况降低到5.9-L和和6.2-L，CO2排放排放173g/km， 将以 ， 将以EA111品牌在上海娄塘投产；一汽大众品牌在上海娄塘投产；一汽大众EA8881.8T及及2.0-L 缸内直喷增压现代汽油机，已经在大连大批量生产；缸内直喷增压现代汽油机，已经在大连大批量生产； ?一种变压缩比（一种变压缩比（VCR）概念的高效）概念的高效GoEngine发动机正在研发 中，产品已经在试验中； 发动机正在研发 中，产品已经在试验中； 6 五、发展电力电子模块控制的混合动力五、发展电力电子模块控制的混合动力 ?日本混合动力轿车，日本混合动力轿车，2004年保有量达年保有量达19.7万辆；万辆；2006年丰田 销售 年丰田 销售170000辆，其中辆，其中Highlander31000辆，仅次于辆，仅次于Prius，希 望 ，希 望2007年销售年销售25万辆，燃料经济性提高万辆，燃料经济性提高30-50%，排放达到美 国加州部分 ，排放达到美 国加州部分0排放排放,丰田确认第三代丰田确认第三代2009年型年型Prius混合动力将 采用锂离子电池，于 混合动力将 采用锂离子电池，于2008年末进入生产；年末进入生产； ?插入式（插入式（Plug-in）混合动力，是高能锂电池纯电动行驶与低 功率混合动力作为里程延长器集成在一起，通用发布了 ）混合动力，是高能锂电池纯电动行驶与低 功率混合动力作为里程延长器集成在一起，通用发布了Volt概 念车， 概 念车，136kw锂电池堆、锂电池堆、53kw发电机、发电机、120kw电动机、电动机、1.0-L 三缸汽油机，单靠电池可行驶三缸汽油机，单靠电池可行驶40mi，装一个，装一个12gal油箱，可行 驶 油箱，可行 驶640mi，对上班族，可用纯电动行驶；，对上班族，可用纯电动行驶； ?锂离子电池是关键，质量效率高锂离子电池是关键，质量效率高2-3倍、体积效率高倍、体积效率高1倍、电 能储存能力高两倍（ 倍、电 能储存能力高两倍（110-130w.h/kg），锂堆寿命要求达到），锂堆寿命要求达到 150000mi，能运行，能运行15年 ；年 ； ?混合动力是通用技术，成为发展的主流趋势，汽油机、柴油 机、天然气、燃料电池发动机都可发展混合动力； 混合动力是通用技术，成为发展的主流趋势，汽油机、柴油 机、天然气、燃料电池发动机都可发展混合动力； ?日本日本4家主要商用车制造者都发展并批量生产了柴油机混合动 力卡车和客车，美国正加速发展柴油机混合动力轿车和商用 汽车； 家主要商用车制造者都发展并批量生产了柴油机混合动 力卡车和客车，美国正加速发展柴油机混合动力轿车和商用 汽车； ?Eaton正发展液压混合动力驱动系统，由储能器、液压泵、液 压马达驱动邮政车后桥的串联式，包括制动再生和发动机自 动停开，用于重型商用车，可降低燃料消耗 正发展液压混合动力驱动系统，由储能器、液压泵、液 压马达驱动邮政车后桥的串联式，包括制动再生和发动机自 动停开，用于重型商用车，可降低燃料消耗70%，同时，同时Eaton 也在开发并联式液压混合动力；也在开发并联式液压混合动力； 7 六、发展电子控制的氢燃料电池混合动力六、发展电子控制的氢燃料电池混合动力 ?氢燃料电池核心部件电池堆取得新进展；氢燃料电池核心部件电池堆取得新进展； ?降低成本仍然是实现商业化的关键，现在又取得一些新进展，但 是距目标成本 降低成本仍然是实现商业化的关键，现在又取得一些新进展，但 是距目标成本$50/kw还有很大差距；还有很大差距； ?氢气配送基础设施获得进步，压缩氢气方式更加被人们看好；氢气配送基础设施获得进步，压缩氢气方式更加被人们看好； ?商业化迈出第一步，商业化迈出第一步，2005 年丰田、本田已经在日本和美国以租 赁方式开始销售；通用氢动 年丰田、本田已经在日本和美国以租 赁方式开始销售；通用氢动3号已经改进，并在华盛顿邮政车上 推广应用； 号已经改进，并在华盛顿邮政车上 推广应用； ?最近透露本田预演了新的燃料电池轿车最近透露本田预演了新的燃料电池轿车FCX，将于，将于2008年在日本 和美国租售， 年在日本 和美国租售，V-流（流（V-flow）燃料电池堆，极大地改善了耐久 性，并能在 ）燃料电池堆，极大地改善了耐久 性，并能在-30至至+95区间发电，新的区间发电，新的V-流电池堆是单箱式，相 对于以前的多箱式结构，减少了零部件数目，新堆体积 流电池堆是单箱式，相 对于以前的多箱式结构，减少了零部件数目，新堆体积52升、质 量 升、质 量67kg、输出增加到、输出增加到100kw，体积效率改善，体积效率改善40%，整个电力厂 缩为 ，整个电力厂 缩为180kg，FCX新轿车车速达到新轿车车速达到160km/h； ?通用正在开发插入式纯电动与燃料电池发动机混合动力集成汽 车，由于锂离子电池十分看好，采用大功率锂离子电池纯电动 车，加上很小的低成本的燃料电池发动机作为里程延长器，可能 发展出可承受的 通用正在开发插入式纯电动与燃料电池发动机混合动力集成汽 车，由于锂离子电池十分看好，采用大功率锂离子电池纯电动 车，加上很小的低成本的燃料电池发动机作为里程延长器，可能 发展出可承受的0排放的电动汽车，燃料电池汽车投产时间有可 能大大提前； 排放的电动汽车，燃料电池汽车投产时间有可 能大大提前； 8 七、发展电控均匀充气压燃（七、发展电控均匀充气压燃（ HCCI）发动机）发动机 ?基本原理：将燃料和空气预先混合成稀薄气体充入发动机的汽 缸，随后将其压缩到较高的压力和温度直到发生类似汽油机的爆 震敲缸反应； 基本原理：将燃料和空气预先混合成稀薄气体充入发动机的汽 缸，随后将其压缩到较高的压力和温度直到发生类似汽油机的爆 震敲缸反应； ?主要特性：可使用多种燃料，能量释放不是火焰推进，而是产生 于爆发；温度峰值不超过 主要特性：可使用多种燃料，能量释放不是火焰推进，而是产生 于爆发；温度峰值不超过1850K，形不成颗粒和，形不成颗粒和NOx排放；排放； ?技术挑战：爆发过程非常难驾驭，控制系统非常复杂；技术挑战：爆发过程非常难驾驭，控制系统非常复杂； ?2007年上半年，年上半年，GM在系统的计算机控制方面获得巨大成功，这 推动这个项目以超出预料的速度前进，现在 在系统的计算机控制方面获得巨大成功，这 推动这个项目以超出预料的速度前进，现在 GM已将第一辆装配已将第一辆装配 HCCI发动机的可开动的汽车样车发动机的可开动的汽车样车Saturn Aura驶上他们试验跑 道，他们将一台 驶上他们试验跑 道，他们将一台2.2-L Ecotec 4缸汽油机改造成缸汽油机改造成HCCI，用精益混 合燃烧过程，将燃料、空气、和捕捉到的排气一道充入汽缸，压 缩至自燃，用于汽油机可增加 ，用精益混 合燃烧过程，将燃料、空气、和捕捉到的排气一道充入汽缸，压 缩至自燃，用于汽油机可增加15-20%的燃料效率，获得极低的的燃料效率，获得极低的 NOx和微粒排放，和微粒排放，HCCI 2000rpm时试车控制在时试车控制在81km/h； ?DiesOtto(Diesel Otto-cycle)：一种：一种1.8L柴油汽油技术的混 合，装于奔驰 柴油汽油技术的混 合，装于奔驰F-700，功率，功率175kw，汽油直喷、增压、可变压缩 比、可控自动点火的 ，汽油直喷、增压、可变压缩 比、可控自动点火的HCCI以及变气门控制；以及变气门控制； ?CCS和和HCCI：大众用：大众用2.0L柴油机燃烧生物燃料联合系统，仍用柴油机燃烧生物燃料联合系统，仍用 1800bar共轨供油，共轨供油，70%的的EGR，经济高，经济高5-8%，排放是，排放是HCCI水 平； 水 平； 9 八、汽车动力传动系统的创新八、汽车动力传动系统的创新 ?多档位多档位(6档以上档以上)是变速器的发展趋势；是变速器的发展趋势； ?电子控制的机械自动变速器将取代液压自动变速器，传动效率 大大提高； 电子控制的机械自动变速器将取代液压自动变速器，传动效率 大大提高； ?电子控制的手动、手自一体化变速器发展迅速，正在普及；电子控制的手动、手自一体化变速器发展迅速，正在普及； ?电子控制的连续换档的电子控制的连续换档的CVT变速器，正由小排量轿车向中大排 量轿车发展，博士已经用于 变速器，正由小排量轿车向中大排 量轿车发展，博士已经用于350Nm的变速器；的变速器； ?双离合器变速器将迅速发展，由于分别控制双离合器变速器将迅速发展，由于分别控制1、3、5和和2、4、6 档，换档时间减少档，换档时间减少50%，达，达100毫秒，提高效率，降低排放，可 以方便地使手动变速器实现现代化，对我国有现实意义； 毫秒，提高效率，降低排放，可 以方便地使手动变速器实现现代化，对我国有现实意义； ?据博格华纳公司预测，据博格华纳公司预测， 2009年欧洲变速器中，双离合器变速器 将达 年欧洲变速器中，双离合器变速器 将达4%，2014年将达年将达25%； ?（x-by-wire）将迅速发展，电子控制的电动执行机构正取代传 统的机械连杆机构和液压机构而实现自觉、快速的传动，这一 创新将引起汽车底盘结构的重大变化； ）将迅速发展，电子控制的电动执行机构正取代传 统的机械连杆机构和液压机构而实现自觉、快速的传动，这一 创新将引起汽车底盘结构的重大变化； ?电动助力转向正在推广，电动转向也正在迅速发展；电动助力转向正在推广，电动转向也正在迅速发展； ?电动制动技术已经成熟，并开始在一些汽车上采用；电动制动技术已经成熟，并开始在一些汽车上采用； 10 九、大力发展汽车电子提高安全舒适性九、大力发展汽车电子提高安全舒适性 ?主动和被动安全是汽车技术发展的首要问题；主动和被动安全是汽车技术发展的首要问题； ?避免和减少汽车碰撞的避免和减少汽车碰撞的ABS、TCS等主动安全技术已经普及， 近年来发展了电子稳定程序（ 等主动安全技术已经普及， 近年来发展了电子稳定程序（ESP），由于成本降低，将广泛 用于普通轿车，美国决定列入法规， ），由于成本降低，将广泛 用于普通轿车，美国决定列入法规，2007年将超过年将超过50%，如所 有车都装用，每年可拯救上万人的性命 ； ，如所 有车都装用，每年可拯救上万人的性命 ； ?Bosch在中国大力推介电子稳定程序在中国大力推介电子稳定程序ESP，其汽车部件（苏州） 有限公司于 ，其汽车部件（苏州） 有限公司于2005年起多次院举行了“博士年起多次院举行了“博士ESP技术交流和技术交流和ESP 汽车试乘活动”，现在我们正推广应用；汽车试乘活动”，现在我们正推广应用； ?汽车碰撞时减少避免人员死伤的智能安全带和安全气囊等被动 安全技术，正改进应用效果及增加应用，如正面如碰撞、侧面 碰撞、保护行人如等； 汽车碰撞时减少避免人员死伤的智能安全带和安全气囊等被动 安全