Innholdet i denne artikkelen er basert på den tekniske vurderingsrapporten fullført av Roush Industries på vegne av CAELP i 2021. Den sorterer systematisk ut de tekniske rutene for effektive bensinmotorer i 2025 og utover, og avslører nøkkelteknologiene for å forbedre termisk effektivitet og redusere utslipp. Mange av disse tekniske løsningene er implementert i det nåværende markedet.
1.
Den spesifikke varmeforholdsverdien økes gjennom EGR eller luftfortynning, og øker dermed mengden arbeid som er overført av stempelet under ekspansjonsslaget. Følgende figur viser påvirkningen av kompresjonsforholdet (CR) og 𝛾 -verdien på drivstoffkonverteringseffektiviteten til den konstante volumsyklusen. Verdien av luftblandingen er omtrent 1,4, mens verdiene til forbrenningsproduktene (karbondioksid og vanndamp) er lavere, nær 1,3. 𝛾-verdien av den sylindrede blandingen fortynnet med luft er høyere sammenlignet med blandingen fortynnet ved avkjøling av avgassegass resirkulering (CEG). Dette gjør motoren med mager forbrenning (luftfortynning) mer effektiv under samme ekvivalente fortynning (dvs. forholdet mellom drivstoff og gassblanding som ikke er drivstoff i sylinderen).
1.
Den spesifikke varmeforholdsverdien økes gjennom EGR eller luftfortynning, og øker dermed mengden arbeid som er overført av stempelet under ekspansjonsslaget. Følgende figur viser påvirkningen av kompresjonsforholdet (CR) og 𝛾 -verdien på drivstoffkonverteringseffektiviteten til den konstante volumsyklusen. Verdien av luftblandingen er omtrent 1,4, mens verdiene til forbrenningsproduktene (karbondioksid og vanndamp) er lavere, nær 1,3. 𝛾-verdien av den sylindrede blandingen fortynnet med luft er høyere sammenlignet med blandingen fortynnet ved avkjøling av avgassegass resirkulering (CEG). Dette gjør motoren med mager forbrenning (luftfortynning) mer effektiv under samme ekvivalente fortynning (dvs. forholdet mellom drivstoff og gassblanding som ikke er drivstoff i sylinderen).
1.1 Ikke-katalytisk spesiell reforming av sylinder (D-ER)
Det dedikerte EGR -systemet utviklet av Southwest Research Institute (SWRI). Dette systemet genererer reformert gass med høye konsentrasjoner av H₂ og CO ved å konvertere en sylinder til en oljerik forbrenningsmodus. Disse reformeringsgassene blir introdusert i inntaksportene til andre sylindere og fullstendig forbrenning i Si -forbrenning [10]. SWRI D-ER-demonstrasjonstesten som ble utført på 2,4-liters PFI-aspirert motor indikerer at drivstofføkonomien har forbedret seg med mer enn 10% i hele motorens driftsområde.
1.2 Katalytisk avfallsgass resirkuleringssløyfereformering
En av sylindrene opererer i et mager luft-drivstoffforhold og vedtar en sekundær drivstoffinjeksjonsteknologi etter forbrenning. Avgassen fra denne sylinderen blir behandlet av katalysatorbedet og genererer hydrogenrik reformerende gass gjennom endotermiske reaksjoner. I testen av den 2,0-liters GM Ecotec LNF DI-motoren, da rotasjonshastigheten nådde 2000 o / min og boostverdien var 4 bar, ble en hydrogeninntakskonsentrasjon på 5% oppnådd. Volumforholdet mellom resirkulering av avfallsgass er økt fra mindre enn 25% til over 50%. Effektiviteten til denne motoren på driftspunktet har økt med 8% sammenlignet med referanseverdien.
2. Optimalisering av ekspansjonsforhold
En motor med et høyt geometrisk kompresjonsforhold, men et effektivt kompresjonsforhold lavere enn det effektive ekspansjonsforholdet er en effektiv måte å forbedre motorens effektivitet på. I masseproduserte motorer oppnås vanligvis overekspansjonssykluser ved å lukke inntaksventilene på forhånd (EIVC) eller forsinke lukking av inntaksventilene. Det kortere inntaksslaget fører til en reduksjon i mengden komprimering trukket inn av motoren per syklus, så en større forskyvningsmotor er nødvendig for å opprettholde samme dreiemoment/effektnivå som ikke-ATKINSON/MILLER-motorer. For turboladede motorer kan tapet av inntaksslagvolum kompenseres for ved å øke boosttrykket. Motorer med turboladede Miller -sykluser har et høyere ekspansjonsforhold og lavere eksosstemperatur, og reduserer dermed etterspørselen etter mager forbrenning.
En utfordring sto overfor når man tar i bruk EIVC og LIVC -strategier, er at turbulensen på slutten av kompresjonsslaget vil svekkes. Figur 6 nedenfor viser endringene i den turbulente kinetiske energien (TKE) i sylinderen når EIVC- og LIVC -strategier blir tatt i bruk sammenlignet med referansemotoren. Denne reduksjonen i TKE vil føre til en reduksjon i forbrenningseffektivitet og forbrenningsinstabilitet. I noen tilfeller, sammenlignet med referansemotoren, kan dette til og med føre til redusert effektivitet og økte utslipp.
Følgende figur viser designoptimaliseringsplanen som kreves for EA888-tredje generasjons B-type motor (2,0-liters firesylinder) for å opprettholde den in-sylindrede turbulensnivået til den forrige generasjonen ikke-miller syklusmotor. Denne motoren vedtar EIVC -teknologi for å oppnå Miller -syklusen, og det er nødvendig å opprettholde turbulensen inne i sylinderen og forbrenningseffektiviteten gjennom motordesignoptimalisering.
3. Et mindre sylinderboringsforhold
Følgende figur viser endringene i de tre hovedfaktorene som bestemmer det optimale bore -slagforholdet til en motor: stempelhastighet, overflateareal og volumforhold og trykkfall på begge sider av inntaksventilen. Det optimale bore -slagforholdet bestemmes av følgende faktorer:
Gjennomsnittlig stempelhastighet: Jo lengre hjerneslag, desto høyere er gjennomsnittlig stempelhastighet, samtidig som du begrenser den maksimale motorhastigheten. Enten det er turboladede eller naturlig aspirerte motorer, har de fleste av dem i dag ikke nådd den øvre grensen for den gjennomsnittlige stempelhastigheten som nåværende teknologi kan oppnå (ca. 25 m/s).
Inntaksventiltrykkdråpegenskaper: Motorer med et stort boreforholdsdesign kan øke ventilstørrelsen, og danne et større strømningsområde (dvs. strømningssonen), og dermed redusere trykkfallet i begge ender av ventilen og forbedre volumetrisk effektivitet. Imidlertid, med høye hastigheter, vil den volumetriske effektiviteten til motorer med lav bore -forhold synke, noe som resulterer i for tidlig demping av dreiemoment og kraft innenfor motorens hastighetsområde.
Varmeoverføringseffektivitet: Et lavere kompresjonsforhold (BSR) vil redusere overflatearealet til volumforholdet i forbrenningskammeret (spesielt nær det øverste døde forbrenningssenteret), og dermed svekke varmeoverføringseffekten av forbrenning. Når komprimeringsforholdet øker, vokser overflatearealet til volumforholdet i forbrenningskammeret, noe som fører til en økning i tap av varmeoverføring og motvirker noen av fordelene som er gitt av effektivitetsforbedringen. Denne effekten er spesielt betydelig i Atkinson-Miller Cycle-motorer med ekstremt høye geometriske kompresjonsforhold.
Detonasjonsmotstand forårsaket av flammeforplantningsavstand: et mindre sylinderdiameterforhold vil forkorte flammeforplantningsavstanden, og dermed redusere varmeutløsningstiden (øke andelen av forbrenning av konstant volum). Forkortelsen av forbrenningstiden vil også redusere detonasjonen (tiden for terminalgassen for å nå selvantengelsestilstanden er kortere). Dette gjør et høyere komprimeringsforhold mulig.
Turbulens i sylinderen og forbrenningshastigheten: Når stempelhastigheten øker, intensiveres turbulensen i sylinderen. Når bore- og hjerneslaget er relativt lave, under samme rotasjonshastighet og forskyvningsforhold, er stempelets rotasjonshastighet faktisk høyere. Denne forbedrede turbulensen kan fremskynde forbrenningsfrekvensen og redusere tendensen til detonasjon (ettersom tiden for terminalgassen til å nå selvantengelsestilstanden er kortere). Dette gjør at motoren kan ta i bruk et høyere kompresjonsforhold.
4. Termisk styringsoptimalisering
En typisk SI-motor genererer en stor mengde varme under forbrenning, hvorav omtrent en tredjedel overføres til sylinderveggen og en annen tredjedel går tapt til kjølevæsken. De viktigste teknologiene for å redusere tapet av varmeoverføring inkluderer:
Å øke den beholdte magre blandingen kan senke forbrenningstemperaturen, og dermed redusere tap av varmeoverføring
Motorer designet med et lavt spesifikt overflateareal (BSR) kan effektivt redusere overflatearealet til volumforholdet i forbrenningskammeret, og minimerer ytterligere varmeoverføringstap
Split kjølesystem - Ved å sette opp uavhengige kjølekretser for sylinderblokken og sylinderhodet, kan den optimale arbeidstemperaturen til sylinderhodet og sylinderblokken opprettholdes. Sylinderhoder med lav temperatur kan forhindre banking og støtte høy komprimeringsforhold. Sylindervegger med høy temperatur kan redusere tap av varmeoverføring og lavere friksjon. Det delte kjølesystemet kan også akselerere forvarming av forbrenningskammeret, forbedre forbrenningsstabiliteten og redusere utslippene under kalde start.
Det termiske barrierebelegget, gjennom en sammensatt struktur av keramiske belegg (for eksempel YSZ YTTRIA-stabiliserte zirkonier) og metallbindingslag, kan redusere veggtemperaturen i forbrenningskammeret med 150-300 grader og redusere ledningstapet gjennom sylinderblokken og stempelet (regnskap for 25-30-30% av det totale varmetapet gjennom sylinderblokken og stempelet.
Sammendrag
Følgende figur oppsummerer påvirkning fra forskjellige teknologier på hver kobling av motordrift. Den grønne delen indikerer positive effekter, mens den røde delen gir negative påvirkninger. For eksempel kan avkjølende EGR -teknologien forbedre den spesifikke varmekapasiteten til blandingen i sylinderen, redusere tap av varmeoverføring og derved forbedre motorens effektivitet. Samtidig vil denne teknologien imidlertid ha en negativ innvirkning på forbrenningsstabilitet og forbrenningsrate. Derfor vil det å kombinere det med et høyt energi-tenningssystem og en lavboringsforholdsmotordesign ha flere fordeler. Noen svake interaksjoner er ikke vist på figuren, for eksempel påvirkningen av kompresjonsforholdet (under samme sylinderboringsforhold) på parametere som varmeoverføring.
