Innehållet i denna artikel är baserat på den tekniska utvärderingsrapporten som genomförts av Roush Industries på uppdrag av CAELP 2021. Det sorterar systematiskt ut de tekniska rutterna för effektiva bensinmotorer 2025 och därefter och avslöjar nyckeltekniken för att förbättra termisk effektivitet och minska utsläppen. Många av dessa tekniska lösningar har implementerats på den nuvarande marknaden.
1. Blandad gasutspädningsteknik
Det specifika värmevärdet ökas genom EGR eller luftutspädning, vilket ökar mängden arbete som överförts av kolven under expansionsslaget. Följande figur visar påverkan av kompressionsförhållandet (CR) och 𝛾 -värdet på bränsleomvandlingseffektiviteten för konstant volymcykel. Luftblandningen 𝛾 är ungefär 1,4, medan värdena på förbränningsprodukterna (koldioxid och vattenånga) är lägre, nära 1,3. 𝛾-värdet på incylinderblandningen utspädd med luft är högre jämfört med blandningen utspädd genom kylningsgasrecirkulation (CEG). Detta gör motorn med mager förbränning (luftutspädning) mer effektiv under samma motsvarande utspädning (dvs. förhållandet mellan bränsle och icke-bränslegasblandning i cylindern).
1. Blandad gasutspädningsteknik
Det specifika värmevärdet ökas genom EGR eller luftutspädning, vilket ökar mängden arbete som överförts av kolven under expansionsslaget. Följande figur visar påverkan av kompressionsförhållandet (CR) och 𝛾 -värdet på bränsleomvandlingseffektiviteten för konstant volymcykel. Luftblandningen 𝛾 är ungefär 1,4, medan värdena på förbränningsprodukterna (koldioxid och vattenånga) är lägre, nära 1,3. 𝛾-värdet på incylinderblandningen utspädd med luft är högre jämfört med blandningen utspädd genom kylningsgasrecirkulation (CEG). Detta gör motorn med mager förbränning (luftutspädning) mer effektiv under samma motsvarande utspädning (dvs. förhållandet mellan bränsle och icke-bränslegasblandning i cylindern).
1.1 Icke-katalytisk specialreformering (D-EG)
Det dedikerade EGR -systemet utvecklat av Southwest Research Institute (SWRI). Detta system genererar reformerad gas med höga koncentrationer av H₂ och CO genom att konvertera en cylinder till ett oljerik förbränningsläge. Dessa reformerande gaser införs i intagsportarna för andra cylindrar och fullständig förbränning i Si -förbränning [10]. SWRI D-Egr-demonstrationstestet som genomfördes på den 2,4-liters PFI som naturligt sugade motorn indikerar att bränsleekonomin har förbättrats med mer än 10% i hela motorns driftsområde.
1.2 Reformering av katalytisk gas
En av cylindrarna arbetar med ett magert luftbränsleförhållande och antar en sekundär bränsleinsprutningsteknologi efter förbränning. Avgasgasen från denna cylinder behandlas av katalysatorbädden och genererar vätrika reformerande gas genom endotermiska reaktioner. I testet av 2,0-liters GM ECOTEC LNF DI-motor, när rotationshastigheten nådde 2000 rpm och ökningsvärdet var 4 bar, uppnåddes en väteintagskoncentration på 5%. Volymförhållandet mellan återcirkulation av avfallsgas har höjts från mindre än 25% till över 50%. Effektiviteten för denna motor vid driftspunkten har ökat med 8% jämfört med riktmärkesvärdet.
2. Optimering av expansionsförhållande
En motor med ett högt geometriskt kompressionsförhållande men ett effektivt kompressionsförhållande lägre än det effektiva expansionsförhållandet är ett effektivt sätt att förbättra motoreffektiviteten. I massproducerade motorer uppnås vanligtvis överutvidgningscykler genom att stänga insugningsventilerna i förväg (EIVC) eller försena stängningen av insugningsventilerna. Det kortare intagslaget leder till en minskning av mängden kompression som dras in av motorn per cykel, så en större förskjutningsmotor behövs för att upprätthålla samma vridmoment/effektnivå som icke-Atkinson/Miller-motorer. För turboladdade motorer kan förlusten av intagslagvolym kompenseras genom att öka boosttrycket. Motorer med turboladdade kvarncykler har ett högre expansionsförhållande och lägre avgasstemperaturer, vilket minskar efterfrågan på mager förbränning.
En utmaning som står inför när man använder EIVC- och LIVC -strategier är att turbulensen i slutet av kompressionslaget kommer att försvagas. Figur 6 nedan visar förändringarna i den turbulenta kinetiska energin (TKE) inom cylindern när EIVC- och LIVC -strategier antas jämfört med referensmotorn. Denna minskning av TKE kommer att leda till en minskning av förbränningseffektivitet och förbränningsinstabilitet. I vissa fall, jämfört med benchmark -motorn, kan detta till och med leda till minskad effektivitet och ökade utsläpp.
Följande figur visar den designoptimeringsplan som krävs för EA888 tredje generationens B-typmotor (2,0-liters fyrcylinder) för att upprätthålla turbulensnivån i cylindernivån i den tidigare generationens icke-millercykelmotor. Denna motor antar EIVC -teknik för att uppnå Miller -cykeln, och det är nödvändigt att upprätthålla turbulensen inuti cylindern och förbränningseffektiviteten genom motordesignoptimering.
3. Ett mindre cylinderborrningsförhållande
Följande figur visar förändringarna i de tre huvudfaktorerna som bestämmer det optimala borrslagförhållandet för en motor: kolvhastighet, ytan och volymförhållandet och tryckfallet på båda sidor av insugningsventilen. Det optimala borrslagförhållandet bestäms av följande faktorer:
Genomsnittlig kolvhastighet: Ju längre stroke, desto högre är den genomsnittliga kolvhastigheten, samtidigt som den maximala motorvarvtalet begränsas. Oavsett om det är turboladdade eller naturligt aspirerade motorer, har de flesta nuförtiden inte nått den övre gränsen för den genomsnittliga kolvhastigheten som den nuvarande tekniken kan uppnå (cirka 25 m/s).
Inloppsventiltrycksfallsegenskaper: Motorer med en stor borrförhållande design kan öka ventilstorleken, bilda ett större flödespassageområde (dvs. flödeszonen), vilket minskar tryckfallet vid båda ändarna av ventilen och förbättrar volymeffektiviteten. Vid höga hastigheter kommer emellertid den volymetriska effektiviteten för motorer med lågt borrförhållande att minska, vilket resulterar i för tidig dämpning av vridmoment och kraft inom motorns hastighetsområde.
Värmeöverföringseffektivitet: Ett lägre kompressionsförhållande (BSR) kommer att minska ytan till volymförhållandet för förbränningskammaren (särskilt nära det övre döda förbränningscentret) och därmed försvaga värmeöverföringseffekten av förbränningen. När kompressionsförhållandet ökar växer förbränningsförhållandet mellan ytarea och volym för förbränningskammaren, vilket leder till en ökning av värmeöverföringsförluster och kompenserar några av fördelarna med effektivitetsförbättringen. Denna effekt är särskilt betydande i Atkinson-Miller-cykelmotorer med extremt höga geometriska kompressionsförhållanden.
Detonationsmotstånd orsakat av flamutbredningsavståndet: Ett mindre cylinderdiameterförhållande kommer att förkorta flamutbredningsavståndet, vilket minskar värmefrisättningstiden (ökar andelen konstant volymförbränning). Förkortningen av förbränningstiden kommer också att minska detoneringen (tiden för terminalgasen att nå självupplänningstillståndet är kortare). Detta möjliggör ett högre kompressionsförhållande.
Turbulens i cylindern och förbränningshastigheten: När kolvhastigheten ökar intensifieras turbulensen i cylindern. När borrningen och stroke är relativt låga, under samma rotationshastighet och förskjutningsförhållanden, är kolvens rotationshastighet faktiskt högre. Denna förbättrade turbulens kan påskynda förbränningshastigheten och minska tendensen till detonation (eftersom tiden för terminalgasen att nå självindustrins tillstånd är kortare). Detta gör det möjligt för motorn att använda ett högre kompressionsförhållande.
4. Optimering av termisk hantering
En typisk SI-motor genererar en stor mängd värme under förbränning, varav ungefär en tredjedel överförs till cylinderväggen och en annan tredjedel går förlorad för kylvätskan. De viktigaste teknologierna för att minska förlusten av värmeöverföring inkluderar:
Att öka den kvarhållna magra blandningen kan sänka förbränningstemperaturen och därmed minska värmeöverföringsförluster
Motorer designade med lågt specifikt ytareaförhållande (BSR) kan effektivt minska ytan till volymförhållandet för förbränningskammaren, vilket ytterligare minimerar värmeöverföringsförluster
Dela kylsystem - Genom att ställa in oberoende kylkretsar för cylinderblocket och cylinderhuvudet kan den optimala arbetstemperaturen på cylinderhuvudet och cylinderblocket hållas. Lågtemperaturcylinderhuvuden kan förhindra att man knackar och stödjer högt komprimeringsförhållande. Högtemperaturcylinderväggar kan minska förluster för värmeöverföring och lägre friktion. Det delade kylsystemet kan också påskynda förvärmningen av förbränningskammaren, förbättra förbränningsstabiliteten och minska utsläppen under kalla startar.
Den termiska barriärbeläggningen, genom en sammansatt struktur av keramiska beläggningar (såsom YSZ YTTRIA-stabiliserade zirkonier) och metallbindningsskikt, kan minska väggtemperaturen för förbränningskammaren med 150-300 grader och minska ledningsvärmeförlusten genom cylinderblocket och kolven (redovisning av 25-30% av den totala energiflörsen.
Sammanfattning
Följande siffra sammanfattar påverkan från olika tekniker på varje länk för motordrift. Den gröna delen indikerar positiva effekter, medan den röda delen ger negativa effekter. Exempelvis kan kylning av EGR -teknik förbättra blandningens specifika värmekapacitet i cylindern, minska förluster för värmeöverföring och därmed förbättra motoreffektiviteten. Men samtidigt kommer denna teknik att ha en negativ inverkan på förbränningsstabilitet och förbränningshastighet. Därför kommer det att ha fler fördelar att kombinera det med ett högenergi tändningssystem och en motorisk design med låg borrkvot. Vissa svaga interaktioner visas inte i figuren, såsom påverkan av kompressionsförhållandet (under samma cylinderborrförhållande) på parametrar som värmeöverföring.
