Содержание этой статьи основано на отчете о технической оценке, завершенном Roush Industries от имени CAELP в 2021 году. Он систематически разрабатывает технические маршруты для эффективных бензиновых двигателей в 2025 году и в последующем, выявляя ключевые технологии для повышения тепловой эффективности и снижения выбросов. Многие из этих технических решений были реализованы на текущем рынке.
1. Технология разбавления смешанного газа
Удельное значение теплового соотношения увеличивается за счет разбавления EGR или воздуха, тем самым увеличивая объем работы, передаваемых поршнем во время инсульта расширения. На следующем рисунке показано влияние коэффициента сжатия (CR) и значение 𝛾 на эффективность преобразования топлива в цикле постоянного объема. 𝛾 Значение воздушной смеси составляет приблизительно 1,4, в то время как значения продуктов сгорания (углекислый газ и водяной пары) ниже, близко к 1,3. 𝛾 Значение в цилиндре смеси, разбавленной воздухом, выше по сравнению с смесью, разбавленной рециркуляцией охлаждения выхлопных газов (CEGR). Это делает двигатель с наклоненным сгоранием (разбавление воздуха) более эффективным при том же эквивалентном разведении (то есть соотношение топлива к неятовой газовой смеси в цилиндре).
1. Технология разбавления смешанного газа
Удельное значение теплового соотношения увеличивается за счет разбавления EGR или воздуха, тем самым увеличивая объем работы, передаваемых поршнем во время инсульта расширения. На следующем рисунке показано влияние коэффициента сжатия (CR) и значение 𝛾 на эффективность преобразования топлива в цикле постоянного объема. 𝛾 Значение воздушной смеси составляет приблизительно 1,4, в то время как значения продуктов сгорания (углекислый газ и водяной пары) ниже, близко к 1,3. 𝛾 Значение в цилиндре смеси, разбавленной воздухом, выше по сравнению с смесью, разбавленной рециркуляцией охлаждения выхлопных газов (CEGR). Это делает двигатель с наклоненным сгоранием (разбавление воздуха) более эффективным при том же эквивалентном разведении (то есть соотношение топлива к неятовой газовой смеси в цилиндре).
1.1 Некаталитическое специальное реформирование в цилиндрах (D-EGR)
Выделенная система EGR, разработанная Юго -западным исследовательским институтом (SWRI). Эта система генерирует реформированный газ с высокими концентрациями H₂ и CO путем преобразования одного цилиндра в режим сжигания, богатого нефтью. Эти реформирующие газы вводятся в впускные порты других цилиндров и полное сжигание при сжигании SI [10]. Демонстрационный тест SWRI D-EGR, проведенный на 2,4-литровом PFI, естественно аспирированном двигателе, указывает на то, что экономия топлива улучшилась более чем на 10% в рабочем диапазоне двигателя.
1.2 Реформирование цикла рециркуляции газа каталитических отходов
Один из цилиндров работает с помощью худого воздушного топлива и принимает вторичную технологию впрыска топлива после сжигания. Выхлопной газ из этого цилиндра обрабатывается слоем катализатора и генерирует богатый водородом газ реформирования через эндотермические реакции. В тесте 2,0-литрового GM Ecotec Lnf DI DI-двигателя, когда скорость вращения достигла 2000 об / мин, а значение повышения составляло 4 бар, была достигнута концентрация потребления водорода 5%. Отношение объема рециркуляции отработанного газа было повышено с менее чем 25% до более чем 50%. Эффективность этого двигателя в рабочей точке увеличилась на 8% по сравнению с эталонным значением.
2. Оптимизация коэффициента расширения
Двигатель с высоким коэффициентом геометрического сжатия, но эффективный коэффициент сжатия ниже эффективного коэффициента расширения, является эффективным способом повышения эффективности двигателя. В двигателях, продуцированных массой, циклы чрезмерного экспертиза обычно достигаются путем заранее закрытия впускных клапанов (EIVC) или задержки закрытия впускных клапанов. Более короткий ход впускного привода приводит к уменьшению количества сжатия, втягиваемого двигателем на цикл, поэтому необходим двигатель с большим смещением, чтобы поддерживать тот же уровень крутящего момента/мощности, что и двигатели без Аткинсона/Миллера. Для двигателей с турбонаддувом потерю объема удара впускного удара может быть компенсирована путем повышения давления усиления. Двигатели с циклами Miller с турбонаддувом имеют более высокий коэффициент расширения и более низкие температуры выхлопных газов, тем самым снижая спрос на бережливое сжигание.
Одна из проблем, с которой сталкивается при принятии стратегий EIVC и LIVC, заключается в том, что турбулентность в конце удара сжатия ослабнет. На рисунке 6 ниже показаны изменения в турбулентной кинетической энергии (TKE) в цилиндре, когда принимаются стратегии EIVC и LIVC по сравнению с эталонным двигателем. Это снижение TKE приведет к снижению эффективности сжигания и нестабильности сжигания. В некоторых случаях, по сравнению с контрольным двигателем, это может даже привести к снижению эффективности и увеличению выбросов.
На следующем рисунке показан план оптимизации конструкции, необходимый для двигателя B-типа третьего поколения EA888 (2,0-литровый четырехцилиндровый) для поддержания уровня турбулентности в цилиндрах двигателя немиллера предыдущего поколения. Этот двигатель принимает технологию EIVC для достижения цикла Миллера, и необходимо поддерживать турбулентность внутри цилиндра и эффективности сгорания посредством оптимизации конструкции двигателя.
3. меньшее соотношение хода цилиндров
На следующем рисунке показаны изменения в трех основных факторах, которые определяют оптимальное соотношение хода с отверстием двигателя: скорость поршня, соотношение площади поверхности к объему и падение давления на обеих сторонах впускного клапана. Оптимальное соотношение инсульта отверстия определяется следующими факторами:
Средняя скорость поршня: чем дольше ход, тем выше средняя скорость поршня, одновременно ограничивая максимальную скорость двигателя. Независимо от того, является ли это турбонаддувным или естественным аспирированным двигателями, большинство из них в настоящее время не достигли верхнего предела средней скорости поршня, которой может достичь текущая технология (около 25 м/с).
Характеристики падения давления впускного клапана. Двигатели с большим коэффициентом коря могут увеличить размер клапана, образуя большую площадь прохождения потока (то есть зону потока), тем самым уменьшая падение давления на обоих концах клапана и повышая объемную эффективность. Тем не менее, на высоких скоростях объемная эффективность двигателей с низким соотношением отверстий снизится, что приведет к преждевременному ослаблению крутящего момента и мощности в диапазоне скорости двигателя.
Эффективность теплопередачи: более низкий коэффициент сжатия (BSR) снизит соотношение площади поверхности к объему в камере сгорания (особенно вблизи верхнего мертвого центра сгорания), тем самым ослабляя эффект теплопередачи на сгорание. По мере увеличения коэффициента сжатия соотношение площади поверхности к объему растет камеры сгорания, что приводит к увеличению потерь теплопередачи и компенсирует некоторые преимущества, вызванные повышением эффективности. Этот эффект особенно значитель в двигателях цикла Аткинсон-Миллер с чрезвычайно высокими коэффициентами геометрического сжатия.
Устойчивость к детонации, вызванная расстоянием распространения пламени: меньшее соотношение диаметра цилиндра сократит расстояние распространения пламени, тем самым уменьшая время выброса тепла (увеличивая долю постоянного сгорания объема). Сокращение времени сгорания также уменьшит детонацию (время для терминального газа для достижения условия самообеспечения, меньше). Это делает возможным более высокий коэффициент сжатия.
Турбулентность в цилиндре и скорость сгорания: по мере увеличения скорости поршня турбулентность в цилиндре усиливается. Когда отверстие и ход относительно низки, при одинаковой скорости вращения и условиях смещения, скорость вращения поршня на самом деле выше. Эта улучшенная турбулентность может ускорить скорость сгорания и снизить тенденцию детонации (поскольку время для терминального газа достичь условия самооценки короче). Это позволяет двигателю принять более высокий коэффициент сжатия.
4. Оптимизация теплового управления
Типичный двигатель Si генерирует большое количество тепла во время сгорания, из которого около трети передается на стену цилиндра, а другая треть теряется на охлаждающую жидкость. Ключевые технологии снижения потери теплопередачи включают:
Увеличение сохраняемой лесой смеси может снизить температуру сгорания, тем самым уменьшая потери теплопередачи
Двигатели, разработанные с низким определенным соотношением площади поверхности (BSR), могут эффективно уменьшить соотношение площади поверхности к объему в камере сгорания, дополнительно минимизируя потери теплопередачи
Система разделения охлаждения - Настройка независимых цепей охлаждения для блока цилиндра и головки цилиндра можно сохранить оптимальную рабочую температуру головки цилиндра и цилиндра. Низкотемпературные головки цилиндров могут предотвратить стук и поддерживать высокую работу сжатия. Стенды высокотемпературных цилиндров могут уменьшить потери теплопередачи и снизить трение. Система разделения охлаждения также может ускорить предварительное нагревание камеры сгорания, повысить стабильность сгорания и уменьшить выбросы во время холода.
Термическое барьерное покрытие, через композитную структуру керамических покрытий (таких как стабилизированная YSZ Yttria циркония) и металлических слоев связывания, может снизить температуру стенки камеры сгорания на 150-300 градусов и уменьшить потерю тепла проводимости через блок цилиндра и поршневой (составляя 25-30% от общей потери энергии).
Краткое содержание
На следующем рисунке суммируется влияние различных технологий на каждую связь работы двигателя. Зеленая часть указывает на положительные эффекты, в то время как красная часть представляет негативные воздействия. Например, технология охлаждения EGR может повысить удельную теплоемкость смеси в цилиндре, уменьшить потери теплопередачи и тем самым повысить эффективность двигателя. Однако в то же время эта технология окажет неблагоприятное влияние на стабильность сжигания и скорость сжигания. Следовательно, сочетание его с высокоэнергетической системой зажигания и низким уровнем кора, конструкция двигателя, будет иметь больше преимуществ. Некоторые слабые взаимодействия не показаны на рисунке, таких как влияние коэффициента сжатия (при одинаковом соотношении отверстия цилиндра) на такие параметры, как теплопередача.
