近幾年內燃機收到了新能源技術很大的衝擊,新能源打著節能減排的口號讓內燃機望塵莫及,內燃機進一步提升熱效率成為傳統動力最迫在眉之事。尤其是汽油機油耗大、熱效率低一直是主要的矛盾所在,汽油機熱效率基本在35%左右徘徊,進一步提升感覺困難重重,成本增加較大,什麼直噴技術、高壓噴射、VVL等等,這些新技術應用畢竟帶來成本大幅度上升,讓汽油機成本優勢慢慢變弱,不是最佳解決之路,隨著馬自達創馳藍天技術的應用、豐田和本田高效發動機技術的量產,發動機熱效率40%已成為可能,新的內燃機循環也開始被應用,在中國,我們團隊開發的40%熱效率發動機也成功完成試驗,最低油耗210g/Kw.h,常用大範圍高效油耗區可以做到220g/kW.h,最高熱效率達到40%,中國汽油機40%熱效率已拉開序幕。

40%真的很難?做出來了也就不難了。主要關注的兩大方面問題,第一:國內缺乏支撐40%熱效率發動機的電控平臺;第二:國內缺失某些支撐40%熱效率關鍵零部件,例如電控VVT。40%熱效率設計開發難度已經被突破,下面我就聊聊如何來做到內燃機40%的熱效率的。

首先,先上結果,讓大家先看看效果。種發動機油耗測試map,第一款是2.0L汽油機(左),第二款是1.8L汽油機(右)。藍星點為熱效率40%。

沒錯,這兩款發動機就是國內開發的,實際測試出的油耗結果,基本達到了目前日本高效發動機水平,我們是如何做到的呢,採用了相應的高效技術,包括阿特金森循環、高壓縮比、外部中冷EGR、高滾流氣道、高效燃燒室、大範圍VVT、降摩擦技術等,下面給大家分別展示一下。

1. 阿特金森循環技術

阿特金森循環大家並不陌生,而且這個概念在很久以前就被提出,歷史性基本等同奧託循環,阿特金森循環解釋說法很多,目前所屬的阿特金森循環也與以前定義截然不同,目前所說的阿特金森更接近於後米勒,目前使用的阿特金森沒有以前定義的機械結構,就是通過進氣門晚關,實現進氣迴流,減少實際壓縮比,採用排氣門晚開,增加膨脹比的方式。目前大家定義的阿特金森為在自然吸氣上採取的高效循環就叫阿特金森。

圖1-1 阿特金森循環

阿特金森循環主要是實現兩個功能,第一減少泵氣損失,一方面是增加膨脹功。從而實現了節能減排 。

2. 高滾流比進氣道技術

高滾流進氣道技術就是實現進氣道強滾流,與燃燒室、活塞頂配合實現高的湍動能水平,保證外部大量EGR引入後的穩定燃燒。

圖2-1 高滾流進氣道

3. 高壓縮比技術

阿特金森循環採用進氣門晚關,一部分進氣迴流,所以缸內進氣量減少,實際壓縮比減少,從而可以增大發動機理論設計壓縮比,根據情況壓縮比可以設計值到12-13.5左右,可以增加燃燒效率的同時不會引起爆震。

圖3-1 高壓縮比技術

4. 中置大角度雙VVT技術

VVT技術可以實現進排氣可變相位,根據發動機從低到高轉速、從低負荷到高負荷相位不同要求,採用VVT技術可以實現各個轉速相位最佳數值,同時大角度VVT可以實現更大範圍的相位調節,這樣可以讓發動機達到各個轉速工況最好的節能減排效果。

圖4-1 2000rpm/2bar油耗VVT選配

5. 降摩擦技術

阿特金森技術的採用,讓發動機最大爆發壓力降低,性能水平降低,這樣發動機本體的潤滑、冷卻、運動系統重量、摩擦面積都可以進一步優化提升,摩擦損失的降低,讓發動機熱效率進一步提升。

圖5-1 摩擦功對油耗影響

6. 外部中冷EGR技術

外部中冷EGR在汽油機上使用,可以提升發動機混合氣比熱容,從而提升抗爆震能力,減少爆震傾向;同時隨著EGR增加,泵氣損失減少。

圖6-1 外部中冷EGR效果

以上的技術是高效發動機主要的技術措施,展示了每一項技術的效果,但每項技術的設計、開發、應用都需要反覆思考、分析和驗證,每一項技術高效的實施需要豐富的經驗基礎,這也是實現汽油機40%熱效率關鍵所在。40%汽油機熱效率已不是夢,現在通過技術的努力已成為美好的現實,40%熱效率技術可以大幅度傳統內燃機的油耗水平,也是一項性價比很高的降油耗綜合技術措施,我們已開啟了40%汽油熱效率中國技術的開端,後續的道路需要汽車廠、供應商一起合作努力,來實現高效發動機進一步應用,為後續大量推廣打下堅實的基礎。高效內燃機必然是傳統內燃機後續發展主要路線,可以實現混動專用高效發動機應用、增程專用高效發動機應用,以後的路只要有內燃機的地方,一定會不失高效發動機技術。

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