具有柴油机效率的汽油发动机 实现高燃油效率

2013-10-22 11:31 来源:电子信息网 作者:蒲公英

利用新型里卡多涡轮增压喷雾引导汽油直喷(T-SGDI)内燃系统,四缸发动机可在发动机参数图的大范围区域内以几乎无节流的模式运行,实现与柴油发动机相近的前所未有的高燃油效率,且可兼容柴油和E85及M40汽油。

作为提高火花点火发动机燃油效率的一种方法,分层燃烧的理念早在内燃发动机诞生之初就已出现。这种技术有助于避免与进气节流阀有关的泵损,从而提高燃油效率。随着高压燃油喷射系统的问世,分层燃烧技术自1990年代末期起被越来越多地用于商业发动机产品,以期在部分负载行驶情况下提高汽油发动机燃油效率。

在这种行驶条件下,此类内燃系统的早期设计效率承诺得以实现,燃油效率在2000r/min的转速和2bar制动平均有效压力(BMEP)下达到约290g/kWh。尽管取得了这些成就,但该技术的监管驾驶周期内的预期效率收益并不能完全转化为真实利益,而造成这种现象的原因主要在于,即使是喷雾引导分层燃烧技术也只能局限于低速、低负载运行的驾驶条件下。

里卡多着手研发新型涡轮增压喷雾引导直喷(T-SGDI)燃烧系统技术之时,其初始目标是设计出高效、低NOx的燃烧流程,且可在最为恶劣的驾驶条件下稳定运行。通过2008~2011年间与PETRONAS Research Sdn Bhd合作,里卡多证实T-SGDI发动机可以突破分层燃烧技术此前的局限。

回顾这次研究,人们发现原来的分层燃烧解决方案缺失了增压(boosting)这一环节。里卡多四缸2.0L Volcano汽油研究型发动机采用新型增压T-SGDI燃烧系统,能够显著提高燃油效率,并能够在高达15bar的BMEP水平下实施分层燃烧,令此前技术望尘莫及。在“典型”的2000r/min、2bar BMEP水平下,稀薄分层T-SGDI发动机的制动马力油耗(BSFC)仅为277.5g/kWh,而同质lambda 1模式下的BSFC为370g/kWh。不过,在10bar BMEP和40Nm扭矩下,BSFC将下降至与柴油发动机相当的206g/kWh。在2500r/min下,T-SGDI发动机甚至能超越基准型EU5四缸1.6L柴油发动机的BSFC水平。

CAE引领的研发流程

为提供模拟工具链(tool-chain)以实现新型T-SGDI燃烧系统的工程生产实施,研究者必须开发及验证能够在正常运行情况下可靠模拟燃烧发动机的流程。流程的第一阶段旨在确定所选喷射器和喷射战略的喷射结构特征。

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里卡多与卡迪夫大学和布莱顿大学经过多年合作,开发出了标准化激光诊断工具,为这项工作奠定了基础。这套工具包括一部光学访问室(optically accessed chamber),喷射器向这部光学访问室喷射燃油。研究人员分别在环境条件下和加压以及发动机典型运行温度条件下进行了测量。在多数实施流程中,研究人员使用放电频率约为10Hz的喷射器,以代表多数喷射器的平均频率,并对重要读数的变差系数进行了处理。

里卡多CAE经理James Mullineux介绍说:“用于验证选定喷射器的详细VECTIS喷射模型是模拟新型燃烧系统运行情况的第一步。我们并不是在开发新型汽油喷射器,但我们仍需要以可靠的方式模拟发动机设计领域的最新技术。因此,针对各种新型喷射器类型,对我们的喷雾模型进行直接验证,这是非常重要的第一步。在这种情况下,我们使用这套工具精细调整VECTIS模型,以期与实际燃油喷射结构相匹配——包括选定喷射器在各种情况下的微滴构成、聚结和分解、蒸发和渗透。”

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