Der Inhalt dieses Artikels basiert auf dem von Roush Industries im Auftrag von CAELP im Jahr 2021 abgeschlossenen technischen Bewertungsbericht. Er wird die technischen Routen für effiziente Benzinmotoren im Jahr 2025 und darüber hinaus systematisch herausstellt, wobei die Schlüsseltechnologien zur Verbesserung der thermischen Effizienz und zur Reduzierung von Emissionen aufgezeigt werden. Viele dieser technischen Lösungen wurden auf dem aktuellen Markt umgesetzt.
1. Technologie gemischte Gasverdünnung
Der spezifische Wärmeverhältniswert wird durch EGR oder Luftverdünnung erhöht, wodurch die vom Kolben während des Expansionsschlags übertragene Arbeit erhöht wird. Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss des Kompressionsverhältnisses (CR) und den 𝛾 -Wert auf die Kraftstoffumwandlungseffizienz des Konstantvolumenszyklus. Der 𝛾 -Wert des Luftgemisches beträgt ungefähr 1,4, während die Werte der Verbrennungsprodukte (Kohlendioxid und Wasserdampf) nahe bei 1,3 niedriger sind. Der 𝛾-Wert des mit Luft verdünnten Inzylindermischung ist höher als mit dem durch Kühlabgasrückwa der Abgasrecirkulation (CEGELL) verdünnten Gemisch. Dies macht den Motor mit magerer Verbrennung (Luftverdünnung) unter derselben äquivalenten Verdünnung (dh das Verhältnis von Kraftstoff zu Nicht-Brennstoff-Gasgemisch im Zylinder) effizienter.
1. Technologie gemischte Gasverdünnung
Der spezifische Wärmeverhältniswert wird durch EGR oder Luftverdünnung erhöht, wodurch die vom Kolben während des Expansionsschlags übertragene Arbeit erhöht wird. Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss des Kompressionsverhältnisses (CR) und den 𝛾 -Wert auf die Kraftstoffumwandlungseffizienz des Konstantvolumenszyklus. Der 𝛾 -Wert des Luftgemisches beträgt ungefähr 1,4, während die Werte der Verbrennungsprodukte (Kohlendioxid und Wasserdampf) nahe bei 1,3 niedriger sind. Der 𝛾-Wert des mit Luft verdünnten Inzylindermischung ist höher als mit dem durch Kühlabgasrückwa der Abgasrecirkulation (CEGELL) verdünnten Gemisch. Dies macht den Motor mit magerer Verbrennung (Luftverdünnung) unter derselben äquivalenten Verdünnung (dh das Verhältnis von Kraftstoff zu Nicht-Brennstoff-Gasgemisch im Zylinder) effizienter.
1.1 Nicht-katalytische Spezialreformierung in Zylinder (D-EGR)
Das vom Southwest Research Institute (SWRI) entwickelte EGR -System. Dieses System erzeugt reformiertes Gas mit hohen Konzentrationen an H₂ und Co, indem ein Zylinder in einen ölreichen Verbrennungsmodus umgewandelt wird. Diese reformierenden Gase werden in die Einlassöffnungen anderer Zylinder und eine vollständige Verbrennung der SI -Verbrennung eingeführt [10]. Der Swri D-EG-Demonstrationstest, der am 2,4-Liter-PFI von Natur aus abgesaugt wurde, zeigt, dass sich der Kraftstoffverbrauch im Betriebsbereich des Motors um mehr als 10% verbessert hat.
1.2 Reformierung der katalytischen Abfallgasrezirkulationsschleife
Eine der Zylinder arbeitet mit einem mageren Luftkraftstoffverhältnis und nimmt nach der Verbrennung eine sekundäre Kraftstoffeinspritztechnologie an. Das Abgas aus diesem Zylinder wird vom Katalysatorbett behandelt und erzeugt wasserstoffreiche Reformgas durch endotherme Reaktionen. Beim Test des 2,0-Liter-GM EcoTEC LNF-DI-Motors, als die Rotationsgeschwindigkeit 2000 U / min erreichte und der Boostwert 4 bar betrug, wurde eine Wasserstoffaufnahmekonzentration von 5% erreicht. Das Volumenverhältnis der Abfallgasrezirkulation wurde von weniger als 25% auf über 50% angehoben. Die Effizienz dieses Motors am Betriebspunkt hat sich im Vergleich zum Benchmark -Wert um 8% erhöht.
2. Optimierung der Expansionsverhältnis
Ein Motor mit einem hohen geometrischen Kompressionsverhältnis, aber ein effektives Kompressionsverhältnis, das niedriger als das effektive Expansionsverhältnis ist, ist ein effektiver Weg, um die Motoreffizienz zu verbessern. In massenproduzierten Motoren werden Überexpansionszyklen normalerweise durch Schließen der Ansaugventile im Voraus (EIVC) oder der Verzögerung des Schließens der Einlassventile erreicht. Der kürzere Ansaugschlag führt zu einer Verringerung der vom Motor pro Zyklus gezogenen Kompressionsmenge, sodass ein Motor mit größerer Verschärfung benötigt wird, um den gleichen Drehmoment/Stromniveau wie Nicht-Atkinson/Miller-Motoren aufrechtzuerhalten. Für Turbogeladenmotoren kann der Verlust des Aufnahmeschlagvolumens durch Erhöhen des Boost -Drucks kompensiert werden. Motoren mit turbogeladenen Miller -Zyklen haben ein höheres Expansionsverhältnis und eine niedrigere Abgasemperaturen, wodurch der Bedarf an magerer Verbrennung verringert wird.
Eine Herausforderung bei der Einführung von EIVC- und LIVC -Strategien besteht darin, dass die Turbulenzen am Ende des Kompressionsschlags schwächen werden. Abbildung 6 unten zeigt die Änderungen der turbulenten kinetischen Energie (TKE) innerhalb des Zylinders, wenn EIVC- und LIVC -Strategien im Vergleich zur Referenzmotor angewendet werden. Diese Verringerung der TKE führt zu einer Verringerung der Verbrennungseffizienz und der Verbrennungsinstabilität. In einigen Fällen kann dies im Vergleich zum Benchmark -Motor sogar zu einer verringerten Effizienz und erhöhten Emissionen führen.
Die folgende Abbildung zeigt den für den B-B-Motor der dritten Generation (2,0-Liter-Vierzylinder) der B-Typ der dritten Generation erforderlichen Entwurfsoptimierungsplan, um den Turbulenzniveau des Inzylinders des Nicht-Miller-Zyklusmotors der vorherigen Generation aufrechtzuerhalten. Dieser Motor nimmt die EIVC -Technologie an, um den Miller -Zyklus zu erreichen, und es ist notwendig, die Turbulenz innerhalb des Zylinder- und Verbrennungseffizienz durch Motordesignoptimierung aufrechtzuerhalten.
3. Ein kleineres Zylinderbohrungs -Schlaganfallverhältnis
Die folgende Abbildung zeigt die Änderungen der drei Hauptfaktoren, die das optimale Bohrungsstrichverhältnis eines Motors bestimmen: Kolbengeschwindigkeit, Oberfläche zu Volumenverhältnis und Druckabfall auf beiden Seiten des Einlassventils. Das optimale Bohrungs -Schlaganfall -Verhältnis wird durch die folgenden Faktoren bestimmt:
Durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit: Je länger der Hub, desto höher ist die durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit, während die maximale Motordrehzahl begrenzt wird. Egal, ob es sich um turbogeladene oder natürlich abgesaugte Motoren handelt, die meisten von ihnen haben heutzutage nicht die Obergrenze der durchschnittlichen Kolbengeschwindigkeit erreicht, die die aktuelle Technologie erreichen kann (ca. 25 m/s).
Die Ansaugventildruckabfalleigenschaften: Motoren mit einem großen Bohrungsverhältnis können die Ventilgröße erhöhen und einen größeren Durchflussbereich (dh die Durchflusszone) bilden, wodurch der Druckabfall an beiden Enden des Ventils und die Verbesserung der volumetrischen Effizienz verringert wird. Bei hohen Geschwindigkeiten sinkt jedoch die volumetrische Effizienz von Motoren mit niedrigem Bohrungsverhältnis, was zu einer vorzeitigen Abschwächung des Drehmoments und der Leistung innerhalb des Geschwindigkeitsbereichs des Motors führt.
Wärmeübertragungseffizienz: Ein niedrigeres Kompressionsverhältnis (BSR) verringert das Verhältnis der Oberfläche zu Volumen der Brennkammer (insbesondere in der Nähe des oberen toten Verbrennungszentrums), wodurch der Wärmeübertragungseffekt der Verbrennung schwächt. Mit zunehmendem Kompressionsverhältnis wächst das Verhältnis der Oberfläche zu Volumen der Brennkammer, was zu einem Anstieg der Wärmeübertragungsverluste führt und einige der Vorteile ausgeht, die durch die Effizienzverbesserung erzielt werden. Dieser Effekt ist besonders signifikant bei Motoren mit Atkinson-Miller-Zyklus mit extrem hohen geometrischen Kompressionsverhältnissen.
Der durch Flammenausbreitungsabstand verursachte Detonationswiderstand: Ein kleineres Zylinderdurchmesserverhältnis verkürzt den Flammenausbreitungsabstand, wodurch die Wärmeabgabezeit verkürzt wird (erhöht den Anteil der Verbrennung konstanter Volumen). Die Verkürzung der Verbrennungszeit verringert auch die Detonation (die Zeit, in der das Endgas die Selbstentzündungsbedingung erreicht, ist kürzer). Dies ermöglicht ein höheres Kompressionsverhältnis.
Turbulenzen in der Zylinder- und Verbrennungsrate: Wenn die Kolbengeschwindigkeit zunimmt, verstärkt sich die Turbulenzen im Zylinder. Wenn Bohrung und Hub relativ niedrig sind, ist die Rotationsgeschwindigkeit des Kolbens unter den gleichen Rotationsgeschwindigkeits- und Verschiebungsbedingungen tatsächlich höher. Diese verbesserte Turbulenzen kann die Verbrennungsrate beschleunigen und die Tendenz der Detonation verringern (da das Terminalgas die Self-IND-Bedingung kürzer ist). Dadurch kann der Motor ein höheres Kompressionsverhältnis annehmen.
4. Optimierung des thermischen Managements
Ein typischer SI-Motor erzeugt eine große Menge an Wärme während der Verbrennung, von der etwa ein Drittel auf die Zylinderwand überführt wird und ein Drittel an das Kühlmittel verloren geht. Zu den Schlüsseltechnologien zur Reduzierung des Wärmeübertragungsverlusts gehören:
Das Erhöhen des zurückgehaltenen mageren Gemisch
Motoren mit einem niedrigen spezifischen Oberflächenverhältnis (BSR) können das Verhältnis der Oberfläche zu Volumen der Brennkammer effektiv reduzieren und die Wärmeübertragungsverluste weiter minimieren
Split -Kühlsystem - Durch Einrichten unabhängiger Kühlschaltungen für den Zylinderblock und den Zylinderkopf kann die optimale Arbeitstemperatur des Zylinderkopfs und des Zylinderblocks beibehalten werden. Niedertemperaturzylinderköpfe können verhindern, dass ein hohes Kompressionsverhältnis der Betriebsverhältnis beträgt. Hochtemperaturzylinderwände können Wärmeübertragungsverluste und eine geringere Reibung verringern. Das geteilte Kühlsystem kann auch die Vorheizen der Brennkammer beschleunigen, die Verbrennungsstabilität verbessern und die Emissionen während der Kältestart verringern.
Die thermische Barrierebeschichtung durch eine zusammengesetzte Struktur von Keramikbeschichtungen (z. B. YSZ Yttria-stabilisierte Zirkonie) und Metallbindungsschichten kann die Wandtemperatur des Brennkammers um 150-300 Grad um 150-300 Grad verringern und den Leitungswärmeverlust durch den Zylinderblock und den Piston verringern (Abrechnung für 25-30% des Gesamtergieverlusts).
Zusammenfassung
Die folgende Abbildung fasst den Einfluss verschiedener Technologien auf jeden Link des Motorbetriebs zusammen. Der grüne Teil zeigt positive Effekte an, während der rote Teil negative Auswirkungen aufweist. Beispielsweise kann die Kühlungstechnologie die spezifische Wärmekapazität des Gemisches im Zylinder verbessern, die Wärmeübertragungsverluste reduzieren und dadurch den Motorwirkungsgrad verbessern. Gleichzeitig wird diese Technologie jedoch nachteilig auf die Verbrennungsstabilität und die Verbrennungsrate auswirken. Daher wird die Kombination mit einem energiegeladenen Zündsystem und einem Motordesign mit niedrigem Bohrungsverhältnis mehr Vorteile haben. Einige schwache Wechselwirkungen sind in der Abbildung nicht dargestellt, wie z.
