具有柴油機(jī)效率的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)

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

在這種行駛條件下，此類內(nèi)燃系統(tǒng)的早期設(shè)計(jì)效率承諾得以實(shí)現(xiàn)，燃油效率在2000r/min的轉(zhuǎn)速和2bar制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)下達(dá)到約290g/kWh。盡管取得了這些成就，但該技術(shù)的監(jiān)管駕駛周期內(nèi)的預(yù)期效率收益并不能完全轉(zhuǎn)化為真實(shí)利益，而造成這種現(xiàn)象的原因主要在于，即使是噴霧引導(dǎo)分層燃燒技術(shù)也只能局限于低速、低負(fù)載運(yùn)行的駕駛條件下。

里卡多著手研發(fā)新型渦輪增壓噴霧引導(dǎo)直噴(T-SGDI)燃燒系統(tǒng)技術(shù)之時(shí)，其初始目標(biāo)是設(shè)計(jì)出高效、低NOx的燃燒流程，且可在最為惡劣的駕駛條件下穩(wěn)定運(yùn)行。通過2008~2011年間與PETRONAS Research Sdn Bhd合作，里卡多證實(shí)T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàn)原來的分層燃燒解決方案缺失了增壓(boosting)這一環(huán)節(jié)。里卡多四缸2.0L Volcano汽油研究型發(fā)動(dòng)機(jī)采用新型增壓T-SGDI燃燒系統(tǒng)，能夠顯著提高燃油效率，并能夠在高達(dá)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(jī)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，在10bar BMEP和40Nm扭矩下，BSFC將下降至與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)?06g/kWh。在2500r/min下，T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)甚至能超越基準(zhǔn)型EU5四缸1.6L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàn)新型T-SGDI燃燒系統(tǒng)的工程生產(chǎn)實(shí)施，研究者必須開發(fā)及驗(yàn)證能夠在正常運(yùn)行情況下可靠模擬燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)的流程。流程的第一階段旨在確定所選噴射器和噴射戰(zhàn)略的噴射結(jié)構(gòu)特征。

里卡多與卡迪夫大學(xué)和布萊頓大學(xué)經(jīng)過多年合作，開發(fā)出了標(biāo)準(zhǔn)化激光診斷工具，為這項(xiàng)工作奠定了基礎(chǔ)。這套工具包括一部光學(xué)訪問室(optically accessed chamber)，噴射器向這部光學(xué)訪問室噴射燃油。研究人員分別在環(huán)境條件下和加壓以及發(fā)動(dòng)機(jī)典型運(yùn)行溫度條件下進(jìn)行了測(cè)量。在多數(shù)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(shù)噴射器的平均頻率，并對(duì)重要讀數(shù)的變差系數(shù)進(jìn)行了處理。

里卡多CAE經(jīng)理James Mullineux介紹說：“用于驗(yàn)證選定噴射器的詳細(xì)VECTIS噴射模型是模擬新型燃燒系統(tǒng)運(yùn)行情況的第一步。我們并不是在開發(fā)新型汽油噴射器，但我們?nèi)孕枰钥煽康姆绞侥M發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新技術(shù)。因此，針對(duì)各種新型噴射器類型，對(duì)我們的噴霧模型進(jìn)行直接驗(yàn)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(xì)調(diào)整VECTIS模型，以期與實(shí)際燃油噴射結(jié)構(gòu)相匹配——包括選定噴射器在各種情況下的微滴構(gòu)成、聚結(jié)和分解、蒸發(fā)和滲透。”

光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)

T-SGDI燃燒系統(tǒng)理念本身就是一項(xiàng)創(chuàng)新，因此研究項(xiàng)目又增加了一個(gè)步驟，用于驗(yàn)證CAE模擬流程。研究者在布萊頓大學(xué)構(gòu)造了一部單缸光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，供研究項(xiàng)目使用。這種發(fā)動(dòng)機(jī)有可能是全球同類發(fā)動(dòng)機(jī)中最先進(jìn)的產(chǎn)品，其光學(xué)觀測(cè)性能與此前設(shè)計(jì)相比得到顯著提高，具有出色的氣缸可視性，尤其是在火花塞周圍區(qū)域。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用石英光學(xué)缸襯，因此具有清晰光學(xué)特性，這種缸襯在同類發(fā)動(dòng)機(jī)中獨(dú)一無二，利用專門研發(fā)的缸頭襯墊系統(tǒng)，能夠伸入燃燒室內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)低端采用傳統(tǒng)連接桿和帶有括油環(huán)的活塞，運(yùn)行于傳統(tǒng)鑄鐵缸體，旨在保存曲軸箱中的潤(rùn)滑油。

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dú)特的上端設(shè)計(jì)，配備帶有碗形部件和斷流閥的石英冠。活塞石英冠還配備魚眼鏡頭，可用于清晰觀看燃燒流程。活塞本身為復(fù)合體，石英冠使用環(huán)氧樹脂膠粘合于陶瓷底座。一面鏡子放置于發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，可以豎直向上方式清晰觀看燃燒室情況，光學(xué)活塞在石英缸體內(nèi)“干運(yùn)轉(zhuǎn)”。缸頭采用黑色陽級(jí)氧化材質(zhì)，以防止激光反射，發(fā)動(dòng)機(jī)可在70bar峰值缸壓下運(yùn)行。

Mulllineux繼續(xù)介紹說：“光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)CAE模擬流程邁出了極為重要的一步。它使我們得以觀察到燃燒室內(nèi)的煉油噴射和混合流程，幫助我們進(jìn)一步驗(yàn)證VECTIS和WAVE模型。很明顯，燃燒室的幾何設(shè)計(jì)與金屬發(fā)動(dòng)機(jī)不同——因?yàn)榛钊數(shù)聂~眼鏡頭采用碗形上表面——從而推動(dòng)驗(yàn)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(jī)的研發(fā)做出了貢獻(xiàn)?！?/P>

采用多噴射戰(zhàn)略是T-SGDI燃燒系統(tǒng)的重要特性之一。這種策略可幫助現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有效控制燃燒率，不過T-SGDI燃燒系統(tǒng)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)過適當(dāng)優(yōu)化的運(yùn)行條件下(如T-SGDI系統(tǒng))，這種策略可于點(diǎn)火前在火花塞區(qū)域集中形成化學(xué)當(dāng)量混合物。除通過無節(jié)流運(yùn)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(tǒng)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(jī)開展了進(jìn)一步工作，以調(diào)查多噴射戰(zhàn)略的效果及其對(duì)油耗、排放和燃燒穩(wěn)定性的改進(jìn)。最后，研究人員測(cè)試了一部全功能四缸里卡多Volcano汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，以驗(yàn)證單缸發(fā)動(dòng)機(jī)和CAE研究結(jié)果，并開展了進(jìn)一步排放研究。由于燃燒參數(shù)多達(dá)40多種，研究人員在T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過程中采用了內(nèi)部研發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DoE)與目標(biāo)優(yōu)化套件。

Volcano發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行

四缸2.0L Volcano發(fā)動(dòng)機(jī)的缸徑與沖程為86mm，額定壓力比為10.7:1。該發(fā)動(dòng)機(jī)配備雙凸輪相位器，用于可變氣門正時(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。在開發(fā)T-SGDI燃燒系統(tǒng)的過程中，研究者共調(diào)查了四種不同類型的噴射器技術(shù)，包括壓電式與螺線管式。

在197kW和391Nm扭矩下，發(fā)動(dòng)機(jī)足以為歐洲或北美常見的D級(jí)車提供強(qiáng)大動(dòng)力。 不過，T-SGDI技術(shù)也可調(diào)低規(guī)格，以適合72mm缸徑。標(biāo)準(zhǔn)燃油為95RON無鉛汽油，不過噴射流程也能在使用E85和M40混合汽油等燃油的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。

與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)類似，T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)在幾乎完全無節(jié)流的情況下運(yùn)行，可吸入更多空氣(最高轉(zhuǎn)速為4500r/min)，可根據(jù)駕駛者的負(fù)載請(qǐng)求確定燃油噴射量。根據(jù)負(fù)載請(qǐng)求，λ1空氣燃油混合區(qū)的尺寸在從分層混合區(qū)到占據(jù)整個(gè)燃燒室的完全化學(xué)當(dāng)量混合區(qū)之間變化。 在空氣燃油比率為160:1 (λ>10)的穩(wěn)定空轉(zhuǎn)，到最高15bar BMEP的加壓中級(jí)負(fù)載，分層燃燒室周圍環(huán)繞以富余空氣和/或剩余燃?xì)狻?/P>

NOx排放

如何將部分負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放水平降低到合適水平，以實(shí)現(xiàn)符合EuroⅥ及更高標(biāo)準(zhǔn)的低成本后處理解決方案，包括擬議中的極為嚴(yán)格的LEV 3美國(guó)法規(guī)，這是項(xiàng)目所面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)在多噴射和外部EGR的支持下，對(duì)燃燒階段進(jìn)行了優(yōu)化。在加壓模式下，T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)最多使用30%的低壓EGR。在非加壓模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)既可使用低壓EGR，也可使用高壓EGR。

外部EGR也可在高負(fù)載條件下使用，不過此時(shí)其減震效果將優(yōu)于NOx減排效果。T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)在完全分層情況下可實(shí)現(xiàn)0.5~2g/kW時(shí)的NOx排放水平。與MIVIS和EGR相結(jié)合，發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放水平將減少至傳統(tǒng)的均質(zhì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的1/5~1/10。這些數(shù)據(jù)表明，只需少量NOx捕集即足夠T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)滿足未來NOx法規(guī)的要求。

未來潛力

里卡多T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更高稀釋程度，因此具有出可觀的未來潛力。研究人員最近利用經(jīng)過重新優(yōu)化的單缸研究發(fā)動(dòng)機(jī)和重新設(shè)計(jì)的點(diǎn)火系統(tǒng)開展的研究工作表明，與制動(dòng)有關(guān)的油耗可降低至不足200g/kW時(shí)。不過，研究人員面臨的挑戰(zhàn)在于如何在滿足未來美國(guó)LEV 3排放法規(guī)的同時(shí)保持這種高效率水平。通過實(shí)施米勒周期(Miller cycle)以減少壓縮溫度、增加擴(kuò)展比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)還有可能進(jìn)一步增加耐震性能。

噴射戰(zhàn)略——性能的關(guān)鍵保障

里卡多T-SGDI燃燒系統(tǒng)的成功取決于噴射戰(zhàn)略，而噴射戰(zhàn)略又根據(jù)負(fù)載情況而有所不同：

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

中負(fù)載，1250~4500r/min，8~15barBMEP：在這種情況下，T-SGDI發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于加壓分層模式。每次噴射互相獨(dú)立，在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)完成，因加壓而實(shí)現(xiàn)的稀薄運(yùn)行有助于減少熱損，二者相結(jié)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(zhàn)略都能實(shí)現(xiàn)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(fù)載：根據(jù)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。燃油通過進(jìn)氣口和壓縮沖程噴射入燃燒室，以減少爆震。