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[复合材料] 追求更低的油耗和排放

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发表于 2015-10-30 00:58:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
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追求更低的油耗和排放

追求更低的油耗和排放

        最佳燃烧的研究

        节油和减排始终是发动机生产厂家和供应商重要的创新动力。为此,在许多领域中有许多切实可行的、旨在降低成本费用的模块化研发方案和生产制造方案。
        发动机制造商的研究
        1.6缸发动机的节能减排
        在当前汽车行业节能减排发展的大趋势下,在汽车发动机研究领域突显了两个主要的发展趋势,其一,对发动机的研发费用和性能有着更加严苛的评判;其二,汽车发动机零部件应该实现更多的相同化,即相同件战略。
        以宝马公司为例,该公司新系列发动机有3缸、4缸和6缸,其中不仅有汽油发动机,也包括柴油发动机。最引人注意的是这3种形式的发动机采用了相同的设计原理,相同零件的数量明显增加。宝马公司称其为积木式的发动机配置方案,并把这一系列的发动机称之为TVDI,也是一种双增压发动机。
        这一系列发动机的开发,通过零部件有目的的设计,这些零部件可以在汽油机和柴油机中使用。这使得宝马公司一个发动机类型中相同件的比例达到了60%。就是在汽油机和柴油机两种发动机中,相同件的比例也各自占到了40%左右。如果再考虑到3缸发动机和4缸发动机纵置、横置两种安装方式的选择,发动机的使用灵活性就得到了极大地增强。这对于进一步降低采购、研发、生产制造等方面费用有着积极的作用。
        以宝马公司的6缸柴油发动机为例,由于宝马公司与其喷油器供应商博世公司一起把喷油孔的数量从7个增加到8个,使喷油器有了更好的位置对称性以及更小的盲孔容积。加之电磁喷油器取代了传统的高精度和高价格的压电式喷油器,可以按照最高180MPa的压力喷射柴油,发动机的功率和输出转矩都有了提高,达到190kW和560Nm。
        与宝马公司追求降低发动机油耗的理念不同,奥迪公司在其新型高档3.0L柴油发动机轿车中仍然追求更大的功率和转矩:采用压电陶瓷喷油器,最高喷射压力为200MPa。这种发动机输出功率230kW,输出转矩650Nm。这比一般的发动机要高20%~25%,而每百千米油耗也在欧洲标准测试循环中提高了0.4L,达到6.4L。
        这对于支持宝马公司功率不变、油耗降低的理念的人们来说是很难理解的,但也应该注意到,宝马6缸柴油机能够实现油耗降低9%的关键是其采用了起步-停止控制系统的结果。
       

追求更低的油耗和排放

追求更低的油耗和排放

        图1 利用两个旋转滑阀使发动机在欧洲标准循环测试中得到了减少2.5gCO2排放的效果

        2.4缸发动机的节能减排
        宝马公司深刻理解降低油耗的意义,在135~180kW的功率范围内,采用了Flutentrennung充气技术的新型增压4缸汽油发动机替代了长期以来一直使用的6缸发动机。这种4缸汽油发动机有多种型号,至少是在功率相同的情况下更加节油。在欧洲标准测试循环中,装配4缸汽油发动机的X1型轿车比原先装备6缸发动机的油耗减少16%。
        奥迪公司明确正在研发1.8L、功率为125kW、输出转矩320Nm的4缸发动机,计划还有其他变型。该类型发动机喷油压力最高为20MPa,在AVS可变气门控制系统的排气侧增加了凸轮轴调整机构。
        为了满足欧盟提出的欧VI颗粒物排放要求,奥迪在发动机喷射系统方面付出了很多的努力。除了FSI高压喷射技术以外,奥迪公司还辅助采用了MPI多点喷射技术。在部分负载工况下,由低压MPI多点喷油器喷射到燃烧室的汽油,在车辆起动时和高速行驶时由高压FSI喷射系统负责。喷油量的控制由集成在内的低压传感器负责。据奥迪公司介绍:与燃油的二次喷射技术相比较,两套喷射系统也是降低成本费用的高性能解决方案,而且在特定的燃烧特性曲线范围之外甚至还能节约燃油。
        这一发动机的热力学管理也是非常吸引人的:两个主要的热力学部件,排气歧管和定量冷却的冷却水通道都集成在缸盖内。而散热的调节、控制由两个塑料材料的旋转滑阀来调节。在热机运行时,其中的一个旋转滑阀切断了机体冷却水的进口(冷却水不循环)。驾驶员打开空调后,现有的热水循环在辅助水泵的驱动下把热水从排气歧管中输送到热交换器中,供车内采暖。旋转滑阀继续保持关闭。当前的热水满足了车内舒适性的要求,发动机可以快速的升温。
        根据水温的高低,旋转滑阀开启相应的角度。另一个旋转滑阀则根据规定的水温对发动机润滑油进行加温。这种温度管理方法保证了在欧洲标准循环测试中把CO2的排放量减少2.5g。由此可以看出奥迪用另一个方法达到了宝马利用单涡轮增压器所达到的目的。
       

追求更低的油耗和排放

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        图2 新型4缸汽油发动机的排气道完全集成到缸盖内部

        供应商的研究成果
        博世公司也在柴油喷油器的模块化方面下了很大的功夫。无论是高压喷油泵——CP4解决方案,或者是共轨喷射系统还是喷油器,都进行了模块化。在CP4模块化方案的基础上,研发设计了一种能够给共轨喷射系统提供180MPa压力的喷油泵。这样,就有可能变型出更加经济的变型配置(160MPa)或者功能更加强大的、最高共轨压力达250MPa的变型配置。
        在模块化过程中,他们还注意到了对于OEM汽车生产厂家来讲非常重要的安装兼容性问题。喷油器零部件要有很高的强度以满足计划中喷油压力的提高、高压油量的优化等是喷油器试制中最重要的特征。
        喷油器的研发正同时沿着两条不同的道路发展:电磁式喷油器和压电式喷油器,所需的压力范围在145~220MPa之间就足够了。基于这样的模块化喷油器有例如CR12-18型。令人感兴趣的是2011年年底将批量投放市场的扩展型喷油器CR12-20:一种集成在喷油器体中的高压共轨喷射系统,高压燃油的容积大约2.5cm3,能够补偿针阀开启和关闭时的压力波动。这一型号的喷油器可以达到的喷射压力高达200MPa。当要求的喷射压力还高时,可以使用CR12-22型喷油器;它们的工作原理相似,但它可以达到的喷射压力高达220MPa。
        对于大陆公司而言,他们的注意里在于汽油发动机。因为在柴油发动机中喷油压力越高,喷油泵所消耗的能量也就越大,已经超过了燃烧效率改善后所带来的节约。所以,大陆公司研究的重点在于喷油油雾的扩散,核心参数是掌握多次喷射的小喷射油量以及精确的和最高的油雾扩散稳定性。在发动机控制方面,大陆公司侧重于开放式的、可扩展的EMS 3平台。
        当检测数据不够准确时,再好的调节战略也没有用处。因此,大陆公司加强了带有OBD功能尾气后处理传感器的研发和燃烧室压力监控传感器的研发。利用压差传感器对尾气颗粒的监控将来会被检测烟碳质量的感应器所代替。若从中长期发展的角度HCCI技术要批量使用时,则在气缸中检测燃烧压力是必不可少的前提条件。另外,也能够识别和补偿由于使用而引起的点火到喷射之间调节的波动。
        结语
        尽管精细思考的技术方案都想做得最好,但只有更好的才能实现。今天,所使用的不再是价格最高的、最佳的解决方案了;相反是那些在提高功率、降低优化、减少有害物质排放方面有效的任何一种设计和元器件了。只有几个标准的零部件就能够演变出许许多多的变型品种来。
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