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内燃机的巨大提升,通向 50% 热效率之路。

  • 来源:互联网
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  • 2020-09-02
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虽然我国是全球最为积极推进电动车普及的国家,但是考虑到电动车天生的补充能量劣势和里程焦虑,我国仍然非常现实的推出了低油耗车型奖励方案。具体已经在笔者的前面一篇文字里做了描述。详见《工信部出的奥数题,解出来你就知道燃油车 5 年后还有戏吗》。

这一方案对能够带来巨大油耗降低的混合动力车型是一个前所未见的利好,同时也鼓励各厂家进一步挖掘内燃机的潜力,做好燃油车油耗降低工作。

说起挖掘内燃机的潜力,首当其冲的就是本田和丰田,早在 2015 年丰田就在其 SAE 文献中发表了实现 45% 热效率发动机的技术。

1.

在那个时候,丰田使用了一台 2.0 升的四缸实验样机,样机参数如下图所示

具体采用的则是如下几种技术,分别是阿特金森循环,冷却式废气再循环(cooled EGR),低摩擦技术,长冲程气缸,稀薄燃烧技术以及高滚流技术。具体来说,为了降低排气热损失,一个重要的方案就是使用长冲程气缸,为了照顾发动机转速,长冲程气缸最多使用到 1.5 倍的冲程缸径比。做好发动机基本结构之后,下一步就是做到超级稀薄加低温燃烧,而为了实现超级稀薄燃烧,则需要高滚流技术和高能量电火技术。考虑到实现高热效率常用的高压缩比(这里是 13:1),为了降低因为高压缩比带来的爆震,冷却式废弃再循环技术也需要被应用上去。

在这些技术中,超级稀薄燃烧是对热效率提升最高的手段,根据丰田的研究,相比标准空燃比的 14.7,当空燃比提升一倍达到 29 以上的时候,发动机热效率可以提升 10%。如果把稀薄燃烧和冷却式废气再循环结合起来,以 20 的空燃比外加 20% 的 cooled EGR,丰田就将这一台样机的最高热效率提升到了 45.6%。为了保证稀薄燃烧下的进气量,丰田还尝试了用一台电动涡轮增压器,而在把测试用的燃油从 91RON,转为 100RON 之后,热效率甚至提升到了 45.9%。丰田还尝试用了一台小的涡轮增压器,替换电动增压器,但是涡轮导致的排气压力上升反而降低了热效率到 43.9%。

丰田还对这台样机做了更细致的研究,发现如果使用更快的点火方式以及更加稀薄的空燃比(超过 20),这台样机可以最终超过 46.5% 的最大热效率。实现这一热效率的发动机转速为 2000 转,BMEP 在 0.88。

由于仅仅是一台验证用的样机,所以丰田并未给出该发动机完整的 BSFC 图。由于目前业界普遍认为可见的将来就是 1.5 的冲程缸径比。所以丰田的这些技术验证可以认为是各种传统的发动机优化技术达到极限之后的效果。

2.

说完了丰田的样机,笔者曾经介绍过一台本田的样机,也就是在 2015 年 10 月,本田不甘落后的在其论文中发表了一个达到 45% 热效率的验证机。不过这台机器仅仅只有一个气缸,大小为 626cc,冲程缸径比也是 1.5,供油方式仍然是多点电喷,为了解决进气量的问题,本田为这台发动机加上了机械增压器。

具体发动机参数如下图所示。

而本田在这台验证机上使用的技术则在如下图红框中显示:

首先是高压缩比,这台验证机使用的机械压缩比高达 17,然后是很高的废气回收率,这里高达 35%,但是本田没用使用超稀薄的稀薄燃烧,本田的意思是稀薄燃烧会带来尾气处理的问题。然后还有 MBT ( minimum advance for Best Torque ) ,再下来就是机械增加以及高达 1.5 的冲程缸径比了。

实际上本田的验证机比丰田做的更加原始,并不如丰田那样做了多方面的验证。

时间一晃来到 2020 年,当年 45% 热效率的验证机已经进化到了更加成熟的状态了。

首先还是本田,在 2018 年 10 月本田发布了其最新的验证机型,这次的验证机型,在 2015 年的 45% 热效率基础上,再次提高了两个点达到了 47.5%。这一次本田终于用上了稀薄燃烧技术,具体名称叫 DISC(direct inject stratified charge combustion)" 直喷分层充气燃烧 ",这一技术被认为可以有效降低稀薄燃烧带来的排放问题。而为了实现这种分层燃烧,本田采用了 F1 赛车上的一项技术,那就是预燃烧室(pre-chamber)。如下图所示,标识为 pre-chamber 的部分就是预燃烧室。

除了预燃烧室这一最为显著的新技术之外,本田的这一套验证机还有如下特征

我们可以看到这一验证机仍然只是一个单缸机型,458cc 容量,冲程缸径比为 1.5,膨胀比 17,而有效压缩比为 12.5(也就是机械压缩比),进气方式为机械增压,供油方式为双喷,主气缸为多点电喷,预燃烧室为直喷,火花塞点火能量为 60mJ(属于一般性点火能量)。而实现这一预燃烧技术最为关键的就是预燃烧室大小以及预燃烧室和主气缸直接开孔的大小和数量。

这里的 Nozzle diameter 就是指预燃烧室到气缸之间的小孔直径,number of nozzles 就是小孔数量。

经过一系列的模拟和计算,本田最后得出结论。小孔的直径为 1.6 毫米,数量为 10 个的时候能获得最好的热效率和排放水平。得益于预燃烧室的设计,本田可以在这一台验证机上实现高达 38:1 的空燃比。这一条在马自达的 skyactiv-X 上达到的是 36.8:1。

最终在预燃烧室这一关键技术的加成下,本田在这台验证机上实现了 47.2% 的热效率。参见下图。

这个效率最高的点在大约 800kPa 处实现,对应一个 458cc 的气缸而言,就是 29NM,转速为 2000 转,如果扩大到四缸,理论上就是在扭矩大约 130NM 处实现。

3.

说完了日本人研究,德国人也没有闲着,以 IAV(Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr)也就是 Engineer Society Automobile and Traffic 为首的德国人也在 2020 年提出了雄心勃勃的计划。他们要开发处一款用于混动车型的超高热效率发动机,目标见如下图所示。

简单的说,就是要在 2000 转到 3300 转之间实现 45% 的热效率。这一目标甚至比丰田和本田的还要高。至于是否能达到,我们就来看看 IAV 的论文怎么说的把。

另外需要注明的是,IAV 是大众集团占据主导地位的机构。如果大众说的 2026 年停止汽油机的开发为真的话,那么这一台发动机很可能就是大众最后的汽油机了。

那么我们说完了德国人在发动机开发上的设计目标,那么实现这些目标采用的哪些技术呢 ?

根据论文的描述,第一要素是提高压缩比,然后是通过高比例的冷却式废气再循环控制爆震,再就是采用米勒循环(其实就是晚关进气门),还有提升燃烧速度,这一点特别需要注意的是,为了提升燃烧速度,IAV 也采用的非常稀薄的混合气,而为了点燃这种非常稀薄的混合气,IAV 使用了预燃烧室技术。除了以上方法之外,高的冲程缸径比也成为了发动机设计的一部分。为了减少尾气热交换损失,IAV 还采用了一个大号的废气涡轮。

如下图为 IAV 验证机的预燃烧室模型图。

做完了这些之后,IAV 的这台 1.6 升的四缸验证样机达到了如下效果。

从这副图上看,发动机在 3000 转,且扭矩 12bar(152NM)附近达到了最大热效率 45%。而且还在很大一个范围内都实现了 44% 的热效率。由于这是一台给混动车使用的发动机,在图上的灰色部分都是电驱动区域。这样就能把 WLTC 工况下绝大部分工作的效率范围都控制在 40% 以上。如果这台机器真的能配合混动系统投入实用,那么将是一台非常省油的动力系统。

注意它的压缩比达到了 17.4,冲程缸径比为 1.25。

4.

除了德国车企也还在孜孜不倦的开发发动机之外,delphi 这样一家来自美国的汽车零部件厂家也没有放弃发动机的技术进步。

在 2019 年的 SAE 大会上,delphi 的前发动机开发主管 Mark Sellnau 就提出了发动机通向 50% 热效率的方法,并指出 delphi 在当前 43% 热效率发动机的基础上,下一代汽油机可以达到 48% 的热效率。

笔者找到了 Delphi 这台 43% 热效率发动机以及如何改进并达到 48% 热效率的 SAE 论文,也在这里给读者做一个介绍。

在 2019 年的时候,Delphi 已经开发出了一台 2.2 升的压缩比为 17 的四缸发动机,称其为第三代发动机(G3X)其最大热效率为 43%,而在随后的研究中,基于这台 43% 热效率的发动机,通过增加隔热涂层和其他一些办法,可以让这台发动机达到 48% 的热效率。这一验证是在美国国家能源部的 Argonne 国家实验室完成的,也是得到了美国能源部的赞助。

这台 2.2 升的发动机使用的技术叫 GDCI(gasoline direct-injection compression-ignition )" 汽油直喷压燃点火 "。它的一些参数如下:

图上可以看出冲程缸径比为 1.28

在经过一系列的优化之后,这台发动机取得了非常好的热效率

如下图所示

出了在 1750 转以及 1200kPa 附近得到 43% 的热效率之外,在很大的一个范围内(1000 转到 2600 转,500kPa 到 2000kPa)都能获得 40% 的热效率。这样一台发动机即使不使用混动系统,也能取得很好的油耗水平。

当然这还不是全部,在通过分析这台发动机的热各种能量损失之后,Delphi 提出了如下几种改进方法,如果这些方法能实施到位,那么预计这台发动机的换代机型,也就是 G4X,可以达到最大 48% 的热效率。

首先就是热量传导损失,然后是摩擦损失,最后则是可以提高涡轮增压器的效率。这其中最大的效果来自于热量传导损失,根据最新的研究表明,如果使用最新的隔热涂层,可以将热传导损失减少 50% 以上。在摩擦损失方面,通过提升曲轴,连杆轴承,凸轮传动,机油泵以及润滑油特性,可以减少大约 10% 的摩擦损失。而提升涡轮增压器的效率也能带来 2% 的效率提升。

经过总结,这些损失带来效率提升点数的情况用柱状图表示了出来。

根据描述,采用以上效率提升方案之后,这台 2.2 升的 4 缸发动机最终可以达到 47.6% 的热效率。

考虑到理论的极限,Delphi 认为汽油内燃机的效率就是 50% 是目前可实现的极限,而理论极限则为 60%。但是目前并无理论支持达到 60% 的实现方法。

在 Delphi 看来,达到 50% 之后,不可避免的摩擦损失,泵气损失,热传导损失和燃烧损失决定了乘用车上的汽油机难以再获得实质性的提升。

也许现实中的卡诺循环极限就在 60% 了。

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