丰田开发汽油分馏系统 提升燃效10%

2014-04-15 18:27:31来源: 盖世汽车网

    埃克森美孚、康宁、丰田三方联手开发了车载汽油分离系统OBS(onboard separation system),用于提升汽油发动机的经济性能和动力表现。分离系统基于膜技术,将汽油分离为高辛烷值和第辛烷值的两部分,将单一燃料分为两份,需搭配双燃料发动机,再根据发动机工况需求,燃烧相适应的汽油组分。研究人员说,装备该系统后,用户只需加注较低标号汽油,就能得到高标号汽油的性能。

    研究人员还在论文中指出,OBS分离系统的一种应用模式是帮助发动机在性能不变的前提下,实现小型化,最多降低油耗10%。另一种应用模式是搭配涡轮增压技术,增大功率并增强发动机抗爆震性能。

    该系统采用高分子膜片,分离汽油组分。膜的基体材料为高分子塑料和陶瓷的复合材料,可从辛烷值92号的汽油中分离出20%的辛烷值为100的汽油组分,并最大支持乙醇含量10%的乙醇汽油。该系统使用排气废热供能,是一种简单、可靠的汽油分离设备,目前已经在多款双燃料汽车上成功试运转。

背景

    在较早的关于燃料辛烷值和压缩比的研究中,埃克森美孚和丰田公司使用2.0升、13:1高压缩比、火花塞点燃、直喷发动机。研究发现,在低负载、低转速、分层燃烧的条件下,辛烷值较低、有机脂含量较高的汽油,如84号,可以带来更高的效率和更低的碳氢排放(相比92号高辛烷值汽油)。他们还发现,当汽油标号较低时,会发生火花塞诱导压燃SICI(spark induced compression ignition)的燃烧现象。

    在全油门工况下,研究发现,较高标号、含芳香族成分较多的汽油,如含60%甲苯、标号103的汽油,相比标号100的纯异辛烷,可以提供更高的扭矩。

    通过收集多个工况(分层稀燃工况、均质理论空燃比工况)、多种汽油(辛烷值标号84到103)的数据,研究人员制作出了“辛烷值需求MAP图”,主要可概括为:

    ·低负载分层工况下,低辛烷值可提供更高的总效率

    ·中等负载、理论空燃比工况下,中等辛烷值的汽油可提供最大效率

    ·在较高负载、理论空燃比条件下,较高辛烷值可提供最高效率,同时高辛烷值也是预防发动机在此条件下发生爆震的必要措施

    将以上成果用于LA-4油耗测试城市驾驶循环中,他们发现,即便压缩比高达13:1,要实现最佳燃油效率也仅需要稍高于96号的汽油。在绝大多数的驾驶循环中,稍低于92号的机油就可以提供最佳效率。结果还指出,在某些工况下,稍低于84号的汽油就可以提供令人接受的表现,但标号更低后的表现如何尚不可知,因为埃克森美孚和丰田公司的试验中,汽油标号的下线就是84号。

    在LA-4循环中全程使用最合适辛烷值的汽油,可以将燃油效率提升15.5%。其中,8.5%直接来自“选对了标号”,7%来自选对标号之后,发动机扭矩提升带来的轻量化可能性。

    研究者说:“结果引人入胜,辛烷值需求MAP图表明:对于大压缩比发动机,其油耗的80%都可以直接使用常规的92号汽油。在负载升高时,才需要使用另20%的高级汽油(标号97或以上)。值得一提的是,对于高压缩比发动机,即便全程使用高级汽油,可不能保证发动机时刻提供最理想扭矩,因为辛烷值仍不够高。然而,通过浓缩汽油中辛烷值较高的组分(如芳香类和乙醇),可以得到更高的辛烷值(大于100),带来最理想的点火特性。我们的理论支持了双燃料或多燃料发动机的研发。考虑到在加油站加注多种燃料比较不方便,同时加油站可提供的燃料辛烷值有时候并不够高的现实,我们认为汽油分离是很有必要的。”

车载汽油分离系统OBS简介

    芳香烃是汽油中辛烷值最高的组分,研究团队使用渗透蒸发(是选择性渗透膜过程:将双组分或多组分混合物通过部分蒸发,使得部分组分穿过致密无孔膜)的手段将汽油分为高低辛烷值的两部分。

    OBS系统分为膜部件、热管道(将排气废热传递给热交换器)、热交换器(同时也是汽油冷却器)、改进的燃油箱和双燃料发动机。

    研究人员试验了多种高分子膜配方,最终确定了交叉纹路、聚酯-胺/树脂的高分子配方。它性能稳定,还能抵御汽油中的乙醇。基体结构类似三元催化器的蜂窝状。

    在渗透蒸发过程中,高辛烷值芳香烃和乙醇被优先吸收到高分子膜上。膜的另一侧产生真空,将高浓度的芳香烃和乙醇以气态形式带到膜的另一边,降温凝结,储存备用。

    双燃料发动机为丰田D-4S 1AZ-FSE 2升发动机,具有9.8-13.1:1的可变压缩比。直喷系统为配合低辛烷值汽油而得到保留,为了配合高辛烷值的组分,它又加入了进气道喷射装置。原装的活塞被浅凹坑活塞取代,以降低碳氢排放,可变气门正时没有出现。

    渗透蒸发过程中,汽油流量为每秒0.5到3克(一般为每秒1克),所需蒸发温度为140-160摄氏度,压力400千帕(同油轨压力基本相同)。最终的蒸汽-液体混合物会被膜片分离为高低辛烷值两部分。低标号组分供给直喷系统,多余的低标号组分流回油箱。高标号组分则储存在2到4升的高标号油箱中(位于主油箱内部)。它们共享一套燃油蒸汽管理系统。

    研究小组的丰田RAV-4随着研究的发展,其OBS系统的尺寸逐渐减小,复杂程度也逐渐降低。

    在最近的测试中,他们还改装了一台丰田凯美瑞,和2.4升双燃料理论空燃比发动机搭配工作的OBS系统全部位于地板下面(包括高分子陶瓷材料的复合膜片、热管道、燃料冷却器等)。

    试验台和实车测试表明:装备OBS后,车辆燃油效率提升5%,扭矩提升8-10%。如果保持原有性能不变,燃油效率可提升8%。

延伸问题

    ·各地燃料的具体成分不同,分离出的双燃料的辛烷值并不稳定

    ·负载过高时,高标号组分的供给量不足

    ·美国市场的乙醇汽油更利于OBS的运转(E10乙醇汽油含10%乙醇,OBS可转化出35%的102号汽油;另外乙醇的冷却效果可抵抗爆震,提升了涡轮增压器的增压极限,从而提升了效率)

    ·OBS也可用于“flex fuel”灵活燃料车型

    ·低标号组分的挥发性更高,可降低发动机启动时的排放水平

关键字:系统  提升

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2014/0415/article_8968.html
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