具有柴油機效率的汽油發(fā)動(dòng)機

作為提高火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機燃油效率的一種方法，分層燃燒的理念早在內燃發(fā)動(dòng)機誕生之初就已出現。這種技術(shù)有助于避免與進(jìn)氣節流閥有關(guān)的泵損，從而提高燃油效率。隨著(zhù)高壓燃油噴射系統的問(wèn)世，分層燃燒技術(shù)自1990年代末期起被越來(lái)越多地用于商業(yè)發(fā)動(dòng)機產(chǎn)品，以期在部分負載行駛情況下提高汽油發(fā)動(dòng)機燃油效率。

在這種行駛條件下，此類(lèi)內燃系統的早期設計效率承諾得以實(shí)現，燃油效率在2000r/min的轉速和2bar制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)下達到約290g/kWh。盡管取得了這些成就，但該技術(shù)的監管駕駛周期內的預期效率收益并不能完全轉化為真實(shí)利益，而造成這種現象的原因主要在于，即使是噴霧引導分層燃燒技術(shù)也只能局限于低速、低負載運行的駕駛條件下。

里卡多著(zhù)手研發(fā)新型渦輪增壓噴霧引導直噴(T-SGDI)燃燒系統技術(shù)之時(shí)，其初始目標是設計出高效、低NOx的燃燒流程，且可在最為惡劣的駕駛條件下穩定運行。通過(guò)2008~2011年間與PETRONAS Research Sdn Bhd合作，里卡多證實(shí)T-SGDI發(fā)動(dòng)機可以突破分層燃燒技術(shù)此前的局限。

回顧這次研究，人們發(fā)現原來(lái)的分層燃燒解決方案缺失了增壓(boosting)這一環(huán)節。里卡多四缸2.0L Volcano汽油研究型發(fā)動(dòng)機采用新型增壓T-SGDI燃燒系統，能夠顯著(zhù)提高燃油效率，并能夠在高達15bar的BMEP水平下實(shí)施分層燃燒，令此前技術(shù)望塵莫及。在“典型”的2000r/min、2bar BMEP水平下，稀薄分層T-SGDI發(fā)動(dòng)機的制動(dòng)馬力油耗(BSFC)僅為277.5g/kWh，而同質(zhì)lambda 1模式下的BSFC為370g/kWh。不過(guò)，在10bar BMEP和40Nm扭矩下，BSFC將下降至與柴油發(fā)動(dòng)機相當的206g/kWh。在2500r/min下，T-SGDI發(fā)動(dòng)機甚至能超越基準型EU5四缸1.6L柴油發(fā)動(dòng)機的BSFC水平。

CAE引領(lǐng)的研發(fā)流程

為提供模擬工具鏈(tool-chain)以實(shí)現新型T-SGDI燃燒系統的工程生產(chǎn)實(shí)施，研究者必須開(kāi)發(fā)及驗證能夠在正常運行情況下可靠模擬燃燒發(fā)動(dòng)機的流程。流程的第一階段旨在確定所選噴射器和噴射戰略的噴射結構特征。

里卡多與卡迪夫大學(xué)和布萊頓大學(xué)經(jīng)過(guò)多年合作，開(kāi)發(fā)出了標準化激光診斷工具，為這項工作奠定了基礎。這套工具包括一部光學(xué)訪(fǎng)問(wèn)室(optically accessed chamber)，噴射器向這部光學(xué)訪(fǎng)問(wèn)室噴射燃油。研究人員分別在環(huán)境條件下和加壓以及發(fā)動(dòng)機典型運行溫度條件下進(jìn)行了測量。在多數實(shí)施流程中，研究人員使用放電頻率約為10Hz的噴射器，以代表多數噴射器的平均頻率，并對重要讀數的變差系數進(jìn)行了處理。

里卡多CAE經(jīng)理James Mullineux介紹說(shuō)：“用于驗證選定噴射器的詳細VECTIS噴射模型是模擬新型燃燒系統運行情況的第一步。我們并不是在開(kāi)發(fā)新型汽油噴射器，但我們仍需要以可靠的方式模擬發(fā)動(dòng)機設計領(lǐng)域的最新技術(shù)。因此，針對各種新型噴射器類(lèi)型，對我們的噴霧模型進(jìn)行直接驗證，這是非常重要的第一步。在這種情況下，我們使用這套工具精細調整VECTIS模型，以期與實(shí)際燃油噴射結構相匹配——包括選定噴射器在各種情況下的微滴構成、聚結和分解、蒸發(fā)和滲透?！?/P>

光學(xué)發(fā)動(dòng)機

T-SGDI燃燒系統理念本身就是一項創(chuàng )新，因此研究項目又增加了一個(gè)步驟，用于驗證CAE模擬流程。研究者在布萊頓大學(xué)構造了一部單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機，供研究項目使用。這種發(fā)動(dòng)機有可能是全球同類(lèi)發(fā)動(dòng)機中最先進(jìn)的產(chǎn)品，其光學(xué)觀(guān)測性能與此前設計相比得到顯著(zhù)提高，具有出色的氣缸可視性，尤其是在火花塞周?chē)鷧^域。該發(fā)動(dòng)機采用石英光學(xué)缸襯，因此具有清晰光學(xué)特性，這種缸襯在同類(lèi)發(fā)動(dòng)機中獨一無(wú)二，利用專(zhuān)門(mén)研發(fā)的缸頭襯墊系統，能夠伸入燃燒室內。發(fā)動(dòng)機低端采用傳統連接桿和帶有括油環(huán)的活塞，運行于傳統鑄鐵缸體，旨在保存曲軸箱中的潤滑油。

發(fā)動(dòng)機的光學(xué)部件位于組裝件上端，一部中空鈦質(zhì)連桿連接活塞底部與上部，連桿本身即采用獨特的上端設計，配備帶有碗形部件和斷流閥的石英冠?；钊⒐谶€配備魚(yú)眼鏡頭，可用于清晰觀(guān)看燃燒流程?；钊旧頌閺秃象w，石英冠使用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘合于陶瓷底座。一面鏡子放置于發(fā)動(dòng)機一側，可以豎直向上方式清晰觀(guān)看燃燒室情況，光學(xué)活塞在石英缸體內“干運轉”。缸頭采用黑色陽(yáng)級氧化材質(zhì)，以防止激光反射，發(fā)動(dòng)機可在70bar峰值缸壓下運行。

Mulllineux繼續介紹說(shuō)：“光學(xué)發(fā)動(dòng)機推動(dòng)CAE模擬流程邁出了極為重要的一步。它使我們得以觀(guān)察到燃燒室內的煉油噴射和混合流程，幫助我們進(jìn)一步驗證VECTIS和WAVE模型。很明顯，燃燒室的幾何設計與金屬發(fā)動(dòng)機不同——因為活塞頂的魚(yú)眼鏡頭采用碗形上表面——從而推動(dòng)驗證流程邁出了極為重要的一步，使VECTIS和WAVE模擬為推動(dòng)研究型發(fā)動(dòng)機的研發(fā)做出了貢獻?！?/P>

采用多噴射戰略是T-SGDI燃燒系統的重要特性之一。這種策略可幫助現代柴油發(fā)動(dòng)機有效控制燃燒率，不過(guò)T-SGDI燃燒系統采用多噴射技術(shù)限制噴霧滲透，從而避免缸壁潮濕。在多種經(jīng)過(guò)適當優(yōu)化的運行條件下(如T-SGDI系統)，這種策略可于點(diǎn)火前在火花塞區域集中形成化學(xué)當量混合物。除通過(guò)無(wú)節流運行使燃油效率接近理論優(yōu)化值外，這種理念還可提高EGR容量，且NOx排放量較低。

利用界定燃燒系統主要特性的VECTIS模擬流程，研究人員又使用熱力單缸發(fā)動(dòng)機開(kāi)展了進(jìn)一步工作，以調查多噴射戰略的效果及其對油耗、排放和燃燒穩定性的改進(jìn)。最后，研究人員測試了一部全功能四缸里卡多Volcano汽油發(fā)動(dòng)機，以驗證單缸發(fā)動(dòng)機和CAE研究結果，并開(kāi)展了進(jìn)一步排放研究。由于燃燒參數多達40多種，研究人員在T-SGDI發(fā)動(dòng)機研發(fā)過(guò)程中采用了內部研發(fā)的實(shí)驗設計(DoE)與目標優(yōu)化套件。

Volcano發(fā)動(dòng)機的運行

四缸2.0L Volcano發(fā)動(dòng)機的缸徑與沖程為86mm，額定壓力比為10.7:1。該發(fā)動(dòng)機配備雙凸輪相位器，用于可變氣門(mén)正時(shí)(VVT)和蓋瑞特固定幾何渦輪增壓器(Garrett Fixed Geometry Turbocharger)，以提供出色性能。在開(kāi)發(fā)T-SGDI燃燒系統的過(guò)程中，研究者共調查了四種不同類(lèi)型的噴射器技術(shù)，包括壓電式與螺線(xiàn)管式。

在197kW和391Nm扭矩下，發(fā)動(dòng)機足以為歐洲或北美常見(jiàn)的D級車(chē)提供強大動(dòng)力。 不過(guò)，T-SGDI技術(shù)也可調低規格，以適合72mm缸徑。標準燃油為95RON無(wú)鉛汽油，不過(guò)噴射流程也能在使用E85和M40混合汽油等燃油的情況下穩定運行。

與柴油發(fā)動(dòng)機類(lèi)似，T-SGDI發(fā)動(dòng)機在幾乎完全無(wú)節流的情況下運行，可吸入更多空氣(最高轉速為4500r/min)，可根據駕駛者的負載請求確定燃油噴射量。根據負載請求，λ1空氣燃油混合區的尺寸在從分層混合區到占據整個(gè)燃燒室的完全化學(xué)當量混合區之間變化。 在空氣燃油比率為160:1 (λ>10)的穩定空轉，到最高15bar BMEP的加壓中級負載，分層燃燒室周?chē)h(huán)繞以富余空氣和/或剩余燃氣。

NOx排放

如何將部分負載發(fā)動(dòng)機的NOx排放水平降低到合適水平，以實(shí)現符合EuroⅥ及更高標準的低成本后處理解決方案，包括擬議中的極為嚴格的LEV 3美國法規，這是項目所面臨的最嚴峻的挑戰。為應對這項挑戰，發(fā)動(dòng)機在多噴射和外部EGR的支持下，對燃燒階段進(jìn)行了優(yōu)化。在加壓模式下，T-SGDI發(fā)動(dòng)機最多使用30%的低壓EGR。在非加壓模式下，發(fā)動(dòng)機既可使用低壓EGR，也可使用高壓EGR。

外部EGR也可在高負載條件下使用，不過(guò)此時(shí)其減震效果將優(yōu)于NOx減排效果。T-SGDI發(fā)動(dòng)機在完全分層情況下可實(shí)現0.5~2g/kW時(shí)的NOx排放水平。與MIVIS和EGR相結合，發(fā)動(dòng)機的NOx排放水平將減少至傳統的均質(zhì)汽油發(fā)動(dòng)機的1/5~1/10。這些數據表明，只需少量NOx捕集即足夠T-SGDI發(fā)動(dòng)機滿(mǎn)足未來(lái)NOx法規的要求。

未來(lái)潛力

里卡多T-SGDI發(fā)動(dòng)機能夠進(jìn)一步提高穩定性，實(shí)現更高稀釋程度，因此具有出可觀(guān)的未來(lái)潛力。研究人員最近利用經(jīng)過(guò)重新優(yōu)化的單缸研究發(fā)動(dòng)機和重新設計的點(diǎn)火系統開(kāi)展的研究工作表明，與制動(dòng)有關(guān)的油耗可降低至不足200g/kW時(shí)。不過(guò)，研究人員面臨的挑戰在于如何在滿(mǎn)足未來(lái)美國LEV 3排放法規的同時(shí)保持這種高效率水平。通過(guò)實(shí)施米勒周期(Miller cycle)以減少壓縮溫度、增加擴展比，這種發(fā)動(dòng)機還有可能進(jìn)一步增加耐震性能。

噴射戰略——性能的關(guān)鍵保障

里卡多T-SGDI燃燒系統的成功取決于噴射戰略，而噴射戰略又根據負載情況而有所不同：

低負載及最高7bar BMEP：發(fā)動(dòng)機在自然進(jìn)氣和分層燃燒模式下高效運行。系統密集組織多次噴射，并在壓縮沖積后期噴射，以根據最適宜的熱力學(xué)條件實(shí)施燃燒相位調整，從而提高燃油效率、顯著(zhù)降低發(fā)動(dòng)機NOx排放水平。這種技術(shù)解決了分層燃燒發(fā)動(dòng)機此前面臨的一個(gè)問(wèn)題，即發(fā)動(dòng)機在幾乎所有分層點(diǎn)都傾向于過(guò)提前燃燒。由于在上止點(diǎn)之前的燃燒相位較易出現高NOx排放水平，因此延遲燃燒是以最低系統成本滿(mǎn)足NOx排放法規的重要方法。僅利用這種戰略，T-SGDI發(fā)動(dòng)機的NOx排放量就可減少近乎一半。

中負載，1250~4500r/min，8~15barBMEP：在這種情況下，T-SGDI發(fā)動(dòng)機運行于加壓分層模式。每次噴射互相獨立，在較長(cháng)時(shí)間段內完成，因加壓而實(shí)現的稀薄運行有助于減少熱損，二者相結合可以改進(jìn)熱效率。這種模型名為多噴射可變噴射分離(MIVIS)。在兩種全分層MIVIS模式下，噴射戰略都能實(shí)現優(yōu)化混合，同時(shí)也能控制增壓湍流動(dòng)能，以確保良好的可燃性，并在點(diǎn)火后優(yōu)化熱釋放。

中至全負載：根據燃油效率或排放控制特性，此時(shí)燃燒室充入稀薄或同質(zhì)λ1混合燃油。燃油通過(guò)進(jìn)氣口和壓縮沖程噴射入燃燒室，以減少爆震。