汽车安全与节能学报 ›› 2020, Vol. 11 ›› Issue (4): 428-443.DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2020.04.002
胡浩然1, 袁悦博2, 安莉莎2, 王贺武2
收稿日期:
2020-11-18
出版日期:
2020-12-30
发布日期:
2021-01-04
作者简介:
胡浩然,博士, 国际汽车工程师学会(SAE)会士,美国机械工程师学会(ASME)会士。 E-mail: haoranhu@outlook.com。胡浩然 博士,毕业于华中科技大学,获得美国麻省理工学院(MIT)博士学位和俄亥俄州立大学工商管理硕士(MBA)学位。曾在美国伊顿公司、卡特彼勒公司、底特律柴油机公司、雅各布车辆公司等任首席科学家和高级工程经理。国际汽车工程师学会(SAE)会士,美国机械工程师学会(ASME)会士; 国家特聘专家;2014-2020年,任潍柴动力副总裁兼首席技术官。主要从事发动机节能和减排技术、卡车发动机制动技术、混合动力总成、质子交换膜燃料电池(PEMFC)的固态氧化物燃料电池(SOFC)等方面的研究。基金资助:
HU Haoran1, YUAN Yuebo2, AN Lisha2, WANG Hewu2
Received:
2020-11-18
Online:
2020-12-30
Published:
2021-01-04
摘要:
能源安全和环境污染等问题使提升车辆系统效率成为热点研究对象。该文综述并比较了内燃机、纯电动、燃料电池以及混合动力等多种能源方式的车辆动力总成效率,以及先进内燃机燃烧技术、高压共轨燃油系统、混合动力总成系统,梳理了内燃机车用动力总成热效率从1960年的30% 提升到目前的50% 左右的历程,指出提升内燃机动力总成的热效率挑战会越来越大。工业界将注意力集中在纯电动和以氢为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)上,并在产业化方面取得了进展,但是纯电动动力总成由于电池自身的重量和充电速率等问题,限制了其在长途货运市场的应用;氢燃料电池在氢气的制备、储存和运输等方面仍然存在很大挑战,特别是在氢气的储运技术方面还有待突破。固态氧化物燃料电池(SOFC)具有能源多样化、能源转换效率高等优点;以金属支撑为代表的第3代SOFC在启动次数、启动时间和耐久性得到了大幅提升;随着其功率密度、快速启动性能的进一步改进, 在不久的将来,高效固态氧化物燃料电池车用动力总成的产业化将成为现实。
中图分类号:
胡浩然, 袁悦博, 安莉莎, 王贺武. 商用车动力总成最高系统效率的探讨[J]. 汽车安全与节能学报, 2020, 11(4): 428-443.
HU Haoran, YUAN Yuebo, AN Lisha, WANG Hewu. In-searching for highest system efficiency of commercial vehicle powertrains[J]. Journal of Automotive Safety and Energy, 2020, 11(4): 428-443.
技 术 | 描 述 | 优 势 |
---|---|---|
先进燃烧技术 | $\bullet$汽油发动机的直接喷射分层燃烧、控制自动点火 (CAI)。 $\bullet$低温燃烧技术,如均质混合气压缩点火 (HCCI)、预混合压缩点火 (PCCI)、柴油 发动机的反应控制压缩点火(RCCI)。 | $\bullet$CAI 可比传统的火花点火汽油发动机实现更高的效率。 $\bullet$低温燃烧可显著减少燃烧过程中NO和Soot的形成。 $\bullet$HCCI 发动机可以使用汽油、柴油和大多数替代燃料。 |
先进气门驱动技术 | $\bullet$可变气门 (VVA) 包括可变气门升程、可变凸轮相位、气缸停用、无凸轮技术。 | $\bullet$汽油发动机部分负载工况下节省燃油。 |
先进增压技术 | $\bullet$双涡轮增压技术。 $\bullet$超级涡轮增压(涡轮增压器和电动增压器组合)技术。 $\bullet$电动增压器技术。 | $\bullet$燃油经济性改善。 $\bullet$改进瞬态和零负载工况下操作性能。 |
先进燃油喷射技术 | $\bullet$超高压共轨燃油喷射技术。 | $\bullet$改进燃油经济性。 $\bullet$减排。 |
热能管理和回收技术 | $\bullet$涡轮组合技术。 $\bullet$排气热能回收技术,如Rankine Cycle和热电技术。 | $\bullet$发动机燃油经济性改善。 |
先进摩擦技术 | $\bullet$高级润滑油。 $\bullet$先进的材料和设计。 $\bullet$附件电气化。 | $\bullet$燃油经济性改善。 |
先进发动机设计 | $\bullet$对置活塞发动机 $\bullet$空气混合动力发动机 | $\bullet$燃油经济性改进。 $\bullet$重量轻。 |
技 术 | 描 述 | 优 势 |
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先进燃烧技术 | $\bullet$汽油发动机的直接喷射分层燃烧、控制自动点火 (CAI)。 $\bullet$低温燃烧技术,如均质混合气压缩点火 (HCCI)、预混合压缩点火 (PCCI)、柴油 发动机的反应控制压缩点火(RCCI)。 | $\bullet$CAI 可比传统的火花点火汽油发动机实现更高的效率。 $\bullet$低温燃烧可显著减少燃烧过程中NO和Soot的形成。 $\bullet$HCCI 发动机可以使用汽油、柴油和大多数替代燃料。 |
先进气门驱动技术 | $\bullet$可变气门 (VVA) 包括可变气门升程、可变凸轮相位、气缸停用、无凸轮技术。 | $\bullet$汽油发动机部分负载工况下节省燃油。 |
先进增压技术 | $\bullet$双涡轮增压技术。 $\bullet$超级涡轮增压(涡轮增压器和电动增压器组合)技术。 $\bullet$电动增压器技术。 | $\bullet$燃油经济性改善。 $\bullet$改进瞬态和零负载工况下操作性能。 |
先进燃油喷射技术 | $\bullet$超高压共轨燃油喷射技术。 | $\bullet$改进燃油经济性。 $\bullet$减排。 |
热能管理和回收技术 | $\bullet$涡轮组合技术。 $\bullet$排气热能回收技术,如Rankine Cycle和热电技术。 | $\bullet$发动机燃油经济性改善。 |
先进摩擦技术 | $\bullet$高级润滑油。 $\bullet$先进的材料和设计。 $\bullet$附件电气化。 | $\bullet$燃油经济性改善。 |
先进发动机设计 | $\bullet$对置活塞发动机 $\bullet$空气混合动力发动机 | $\bullet$燃油经济性改进。 $\bullet$重量轻。 |
种类 | 电解质 | 燃料 | 氧化剂 | 催化剂 | 腐蚀性 | 工作温度/ ℃ | 发电效率/ % | 应用 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
SOFC | 氧化锆 / 氧化铈 | H2 /天然气、酒精等 | 空气、O2 | 锰酸镧、镍 | 无 | 500~1 000 | 50 ~65 | 固定式发电,道路车辆APU |
PEMFC | 含氟质子交换膜 | H2 | 空气、O2 | 铂 | 无 | 25~100 | 45~55 | 固定式发电,叉车和道路车辆 |
MCFC | KCO3 / LiCO3 | H2、天然气、等 | 空气、O2 | 镍合金、氧化镍 | 强 | 600~700 | 50~55 | 固定式发电 |
PAFC | H3PO4 | H2 | 空气、O2 | 铂 | 强 | 100~200 | 40~45 | 固定式发电 |
AFC | KOH / NaOH | H2 | O2 | 铂或镍等非贵金属 | 强 | 50~100 | 65 | 固定式发电 |
种类 | 电解质 | 燃料 | 氧化剂 | 催化剂 | 腐蚀性 | 工作温度/ ℃ | 发电效率/ % | 应用 |
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SOFC | 氧化锆 / 氧化铈 | H2 /天然气、酒精等 | 空气、O2 | 锰酸镧、镍 | 无 | 500~1 000 | 50 ~65 | 固定式发电,道路车辆APU |
PEMFC | 含氟质子交换膜 | H2 | 空气、O2 | 铂 | 无 | 25~100 | 45~55 | 固定式发电,叉车和道路车辆 |
MCFC | KCO3 / LiCO3 | H2、天然气、等 | 空气、O2 | 镍合金、氧化镍 | 强 | 600~700 | 50~55 | 固定式发电 |
PAFC | H3PO4 | H2 | 空气、O2 | 铂 | 强 | 100~200 | 40~45 | 固定式发电 |
AFC | KOH / NaOH | H2 | O2 | 铂或镍等非贵金属 | 强 | 50~100 | 65 | 固定式发电 |
反应 | ΔH0298 | ΔS0298 | ΔG0298 | E | ηideal |
---|---|---|---|---|---|
kJ·mol-1 | kJ·(mol·K)-1 | kJ·mol-1 | V | % | |
CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O (g) | -802.2 | 0.024 | -809.3 | 1.05 | 101 |
CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O (l) | -890.2 | -0.215 | -826.3 | 1.07 | 93 |
H2+1/2O2→H2O | -285.8 | -0.164 | -236.9 | 1.23 | 83 |
H2+1/2O2→H2O (g) | -241.8 | -0.045 | -228.4 | 1.18 | 94 |
C+1/2O2→CO (g) | -110.5 | 0.087 | -136.4 | 0.71 | 123 |
C + O2 → CO2 (g) | -393.5 | 0.003 | -394.4 | 1.02 | 100 |
CO+1/2O2→CO2 (g) | -283.0 | -0.087 | -257.1 | 1.33 | 91 |
反应 | ΔH0298 | ΔS0298 | ΔG0298 | E | ηideal |
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kJ·mol-1 | kJ·(mol·K)-1 | kJ·mol-1 | V | % | |
CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O (g) | -802.2 | 0.024 | -809.3 | 1.05 | 101 |
CH4 + 2O2→ CO2 + 2H2O (l) | -890.2 | -0.215 | -826.3 | 1.07 | 93 |
H2+1/2O2→H2O | -285.8 | -0.164 | -236.9 | 1.23 | 83 |
H2+1/2O2→H2O (g) | -241.8 | -0.045 | -228.4 | 1.18 | 94 |
C+1/2O2→CO (g) | -110.5 | 0.087 | -136.4 | 0.71 | 123 |
C + O2 → CO2 (g) | -393.5 | 0.003 | -394.4 | 1.02 | 100 |
CO+1/2O2→CO2 (g) | -283.0 | -0.087 | -257.1 | 1.33 | 91 |
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