具有柴油机效率的汽油发动机

2013-10-18 15:54:36来源: 《汽车与配件》
    利用新型里卡多涡轮增压喷雾引导汽油直喷(T-SGDI)内燃系统,四缸发动机可在发动机参数图的大范围区域内以几乎无节流的模式运行,实现与柴油发动机相近的前所未有的高燃油效率,且可兼容柴油和E85及M40汽油。

    作为提高火花点火发动机燃油效率的一种方法,分层燃烧的理念早在内燃发动机诞生之初就已出现。这种技术有助于避免与进气节流阀有关的泵损,从而提高燃油效率。随着高压燃油喷射系统的问世,分层燃烧技术自1990年代末期起被越来越多地用于商业发动机产品,以期在部分负载行驶情况下提高汽油发动机燃油效率。

    在这种行驶条件下,此类内燃系统的早期设计效率承诺得以实现,燃油效率在2000r/min的转速和2bar制动平均有效压力(BMEP)下达到约290g/kWh。尽管取得了这些成就,但该技术的监管驾驶周期内的预期效率收益并不能完全转化为真实利益,而造成这种现象的原因主要在于,即使是喷雾引导分层燃烧技术也只能局限于低速、低负载运行的驾驶条件下。

    里卡多着手研发新型涡轮增压喷雾引导直喷(T-SGDI)燃烧系统技术之时,其初始目标是设计出高效、低NOx的燃烧流程,且可在最为恶劣的驾驶条件下稳定运行。通过2008~2011年间与PETRONAS Research Sdn Bhd合作,里卡多证实T-SGDI发动机可以突破分层燃烧技术此前的局限。

    回顾这次研究,人们发现原来的分层燃烧解决方案缺失了增压(boosting)这一环节。里卡多四缸2.0L Volcano汽油研究型发动机采用新型增压T-SGDI燃烧系统,能够显著提高燃油效率,并能够在高达15bar的BMEP水平下实施分层燃烧,令此前技术望尘莫及。在“典型”的2000r/min、2bar BMEP水平下,稀薄分层T-SGDI发动机的制动马力油耗(BSFC)仅为277.5g/kWh,而同质lambda 1模式下的BSFC为370g/kWh。不过,在10bar BMEP和40Nm扭矩下,BSFC将下降至与柴油发动机相当的206g/kWh。在2500r/min下,T-SGDI发动机甚至能超越基准型EU5四缸1.6L柴油发动机的BSFC水平。

CAE引领的研发流程

    为提供模拟工具链(tool-chain)以实现新型T-SGDI燃烧系统的工程生产实施,研究者必须开发及验证能够在正常运行情况下可靠模拟燃烧发动机的流程。流程的第一阶段旨在确定所选喷射器和喷射战略的喷射结构特征。

     里卡多与卡迪夫大学和布莱顿大学经过多年合作,开发出了标准化激光诊断工具,为这项工作奠定了基础。这套工具包括一部光学访问室(optically accessed chamber),喷射器向这部光学访问室喷射燃油。研究人员分别在环境条件下和加压以及发动机典型运行温度条件下进行了测量。在多数实施流程中,研究人员使用放电频率约为10Hz的喷射器,以代表多数喷射器的平均频率,并对重要读数的变差系数进行了处理。

    里卡多CAE经理James Mullineux介绍说:“用于验证选定喷射器的详细VECTIS喷射模型是模拟新型燃烧系统运行情况的第一步。我们并不是在开发新型汽油喷射器,但我们仍需要以可靠的方式模拟发动机设计领域的最新技术。因此,针对各种新型喷射器类型,对我们的喷雾模型进行直接验证,这是非常重要的第一步。在这种情况下,我们使用这套工具精细调整VECTIS模型,以期与实际燃油喷射结构相匹配——包括选定喷射器在各种情况下的微滴构成、聚结和分解、蒸发和渗透。”

光学发动机

    T-SGDI燃烧系统理念本身就是一项创新,因此研究项目又增加了一个步骤,用于验证CAE模拟流程。研究者在布莱顿大学构造了一部单缸光学发动机,供研究项目使用。这种发动机有可能是全球同类发动机中最先进的产品,其光学观测性能与此前设计相比得到显著提高,具有出色的气缸可视性,尤其是在火花塞周围区域。该发动机采用石英光学缸衬,因此具有清晰光学特性,这种缸衬在同类发动机中独一无二,利用专门研发的缸头衬垫系统,能够伸入燃烧室内。发动机低端采用传统连接杆和带有括油环的活塞,运行于传统铸铁缸体,旨在保存曲轴箱中的润滑油。

    发动机的光学部件位于组装件上端,一部中空钛质连杆连接活塞底部与上部,连杆本身即采用独特的上端设计,配备带有碗形部件和断流阀的石英冠。活塞石英冠还配备鱼眼镜头,可用于清晰观看燃烧流程。活塞本身为复合体,石英冠使用环氧树脂胶粘合于陶瓷底座。一面镜子放置于发动机一侧,可以竖直向上方式清晰观看燃烧室情况,光学活塞在石英缸体内“干运转”。缸头采用黑色阳级氧化材质,以防止激光反射,发动机可在70bar峰值缸压下运行。

    Mulllineux继续介绍说:“光学发动机推动CAE模拟流程迈出了极为重要的一步。它使我们得以观察到燃烧室内的炼油喷射和混合流程,帮助我们进一步验证VECTIS和WAVE模型。很明显,燃烧室的几何设计与金属发动机不同——因为活塞顶的鱼眼镜头采用碗形上表面——从而推动验证流程迈出了极为重要的一步,使VECTIS和WAVE模拟为推动研究型发动机的研发做出了贡献。”

    采用多喷射战略是T-SGDI燃烧系统的重要特性之一。这种策略可帮助现代柴油发动机有效控制燃烧率,不过T-SGDI燃烧系统采用多喷射技术限制喷雾渗透,从而避免缸壁潮湿。在多种经过适当优化的运行条件下(如T-SGDI系统),这种策略可于点火前在火花塞区域集中形成化学当量混合物。除通过无节流运行使燃油效率接近理论优化值外,这种理念还可提高EGR容量,且NOx排放量较低。

    利用界定燃烧系统主要特性的VECTIS模拟流程,研究人员又使用热力单缸发动机开展了进一步工作,以调查多喷射战略的效果及其对油耗、排放和燃烧稳定性的改进。最后,研究人员测试了一部全功能四缸里卡多Volcano汽油发动机,以验证单缸发动机和CAE研究结果,并开展了进一步排放研究。由于燃烧参数多达40多种,研究人员在T-SGDI发动机研发过程中采用了内部研发的实验设计(DoE)与目标优化套件。

Volcano发动机的运行

    四缸2.0L Volcano发动机的缸径与冲程为86mm,额定压力比为10.7:1。该发动机配备双凸轮相位器,用于可变气门正时(VVT)和盖瑞特固定几何涡轮增压器(Garrett Fixed Geometry Turbocharger),以提供出色性能。在开发T-SGDI燃烧系统的过程中,研究者共调查了四种不同类型的喷射器技术,包括压电式与螺线管式。

    在197kW和391Nm扭矩下,发动机足以为欧洲或北美常见的D级车提供强大动力。 不过,T-SGDI技术也可调低规格,以适合72mm缸径。标准燃油为95RON无铅汽油,不过喷射流程也能在使用E85和M40混合汽油等燃油的情况下稳定运行。

    与柴油发动机类似,T-SGDI发动机在几乎完全无节流的情况下运行,可吸入更多空气(最高转速为4500r/min),可根据驾驶者的负载请求确定燃油喷射量。根据负载请求,λ1空气燃油混合区的尺寸在从分层混合区到占据整个燃烧室的完全化学当量混合区之间变化。 在空气燃油比率为160:1 (λ>10)的稳定空转,到最高15bar BMEP的加压中级负载,分层燃烧室周围环绕以富余空气和/或剩余燃气。

NOx排放

     如何将部分负载发动机的NOx排放水平降低到合适水平,以实现符合EuroⅥ及更高标准的低成本后处理解决方案,包括拟议中的极为严格的LEV 3美国法规,这是项目所面临的最严峻的挑战。为应对这项挑战,发动机在多喷射和外部EGR的支持下,对燃烧阶段进行了优化。在加压模式下,T-SGDI发动机最多使用30%的低压EGR。在非加压模式下,发动机既可使用低压EGR,也可使用高压EGR。

    外部EGR也可在高负载条件下使用,不过此时其减震效果将优于NOx减排效果。T-SGDI发动机在完全分层情况下可实现0.5~2g/kW时的NOx排放水平。与MIVIS和EGR相结合,发动机的NOx排放水平将减少至传统的均质汽油发动机的1/5~1/10。这些数据表明,只需少量NOx捕集即足够T-SGDI发动机满足未来NOx法规的要求。

未来潜力

    里卡多T-SGDI发动机能够进一步提高稳定性,实现更高稀释程度,因此具有出可观的未来潜力。研究人员最近利用经过重新优化的单缸研究发动机和重新设计的点火系统开展的研究工作表明,与制动有关的油耗可降低至不足200g/kW时。不过,研究人员面临的挑战在于如何在满足未来美国LEV 3排放法规的同时保持这种高效率水平。通过实施米勒周期(Miller cycle)以减少压缩温度、增加扩展比,这种发动机还有可能进一步增加耐震性能。

喷射战略——性能的关键保障

     里卡多T-SGDI燃烧系统的成功取决于喷射战略,而喷射战略又根据负载情况而有所不同:

    低负载及最高7bar BMEP:发动机在自然进气和分层燃烧模式下高效运行。系统密集组织多次喷射,并在压缩冲积后期喷射,以根据最适宜的热力学条件实施燃烧相位调整,从而提高燃油效率、显著降低发动机NOx排放水平。这种技术解决了分层燃烧发动机此前面临的一个问题,即发动机在几乎所有分层点都倾向于过提前燃烧。由于在上止点之前的燃烧相位较易出现高NOx排放水平,因此延迟燃烧是以最低系统成本满足NOx排放法规的重要方法。仅利用这种战略,T-SGDI发动机的NOx排放量就可减少近乎一半。

    中负载,1250~4500r/min,8~15barBMEP:在这种情况下,T-SGDI发动机运行于加压分层模式。每次喷射互相独立,在较长时间段内完成,因加压而实现的稀薄运行有助于减少热损,二者相结合可以改进热效率。这种模型名为多喷射可变喷射分离(MIVIS)。在两种全分层MIVIS模式下,喷射战略都能实现优化混合,同时也能控制增压湍流动能,以确保良好的可燃性,并在点火后优化热释放。

    中至全负载:根据燃油效率或排放控制特性,此时燃烧室充入稀薄或同质λ1混合燃油。燃油通过进气口和压缩冲程喷射入燃烧室,以减少爆震。

关键字:效率  汽油发动机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/1018/article_8031.html
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