凱迪拉克優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒 降低油耗49%

博世、AVL和密歇根大學(xué)正在合作開展“新型燃燒概念-實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和方案ACCESS”研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃為期四年、耗資兩千四百萬(wàn)美元，由美國(guó)能源部支持，針對(duì)汽油引擎乘用車，旨在不影響性能和排放水平的前提下，降低30%的油耗。

2013年的SAE大會(huì)上，來(lái)自博世和AVL公司的工程師發(fā)布了關(guān)于ACCESS項(xiàng)目進(jìn)展的論文，描述了針對(duì)直噴渦輪增壓GTDI和均值沖量壓縮點(diǎn)火HCCI的四缸汽油機(jī)在設(shè)計(jì)、燃燒過(guò)程、控制系統(tǒng)方面的進(jìn)展情況。文中提到，盡管可再生能源和與之相適應(yīng)的靈活先進(jìn)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展很快，但內(nèi)燃機(jī)仍有很大的發(fā)展機(jī)會(huì)，不只是現(xiàn)在，還包括將來(lái)。今后的內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有滿足全球市場(chǎng)對(duì)于排放和油耗的要求，兼容生物燃料和與其他動(dòng)力系統(tǒng)相配合的能力。

ACCESS項(xiàng)目主要關(guān)注：

-融合多種燃燒模式，提升所有工況的性能，同時(shí)降低油耗和排放。

-研發(fā)可靠、靈活的控制算法，基于通用的模塊化的硬件平臺(tái)，在燃燒模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵時(shí)刻協(xié)調(diào)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

-開發(fā)特定的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，涵蓋進(jìn)排氣和燃油通道、燃燒系統(tǒng)、尾氣后處理、整車平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的燃燒和控制策略。

-實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)的工作任務(wù)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和試車試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的節(jié)油性能。

發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組用改進(jìn)的2.0升直列四缸Ecotec發(fā)動(dòng)機(jī)替換凱迪拉克CTS上的那臺(tái)3.6升V6發(fā)動(dòng)機(jī)。項(xiàng)目組使用增壓直噴GTDI實(shí)現(xiàn)小型化，配合使用小負(fù)荷下的均值壓燃HCCI實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)性。為了實(shí)現(xiàn)HCCI，工程師改動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了控制系統(tǒng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的改動(dòng)設(shè)計(jì)包括直噴和進(jìn)氣道噴射兩種供油模式、德爾福兩級(jí)凸輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、電裝公司電動(dòng)VCT可變氣門正時(shí)、伊頓R410機(jī)械增壓、高壓回路冷卻EGR和11：1高壓縮比。

項(xiàng)目組重新設(shè)計(jì)了氣缸蓋形狀，一是為了容納可變凸輪和可變正時(shí)，實(shí)現(xiàn)壓燃和點(diǎn)燃的快速轉(zhuǎn)換，二是為了容納布置在缸蓋中部的直噴噴油嘴。

改進(jìn)進(jìn)氣歧管，以適應(yīng)高壓EGR和進(jìn)氣道噴射。

兩級(jí)增壓（渦輪增壓和機(jī)械增壓）目的是擴(kuò)大HCCI工況載荷范圍、改善全負(fù)荷性能。改進(jìn)活塞的目的是實(shí)現(xiàn)計(jì)劃的壓縮比、配合直噴油束的噴射方向。

燃燒過(guò)程的研究

項(xiàng)目組通過(guò)比較點(diǎn)燃SI、壓燃HCCI、點(diǎn)燃輔助的壓燃SACI在自然吸氣、增壓、稀混合氣、理論空燃比等多種工況下的表現(xiàn)，來(lái)研究相應(yīng)的點(diǎn)火控制邏輯，以配合ACCESS小型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與能實(shí)現(xiàn)大角度負(fù)疊開角的可變氣門機(jī)構(gòu)。

為了研究負(fù)荷范圍擴(kuò)大時(shí)HCCI/SACI的性能并和SI發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比，項(xiàng)目組進(jìn)行了1500rpm等速變負(fù)荷試驗(yàn)（氣缸平均有效壓力從2.0到6.0巴）。

HCCI模式的研究采用稀混合氣的自然吸氣和機(jī)械增壓，提高工作負(fù)荷范圍。SACI的試驗(yàn)采用稀混合氣和理論空燃比兩種工況，配合外部冷卻EGR（緩解大負(fù)荷噪聲）。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，稀混合氣自然吸氣HCCI盡管工況范圍有限，但燃燒穩(wěn)定性好，燃油消耗率相比SI發(fā)動(dòng)機(jī)有較大優(yōu)勢(shì)。盡管使用增壓能加大HCCI在大負(fù)荷下的稀燃能力，擴(kuò)大HCCI負(fù)荷范圍，但增加的機(jī)構(gòu)降低了總熱效率。相比之下，通過(guò)理論空燃比混合氣加點(diǎn)燃輔助SACI不但可以延伸壓燃工作范圍，還可以在中高負(fù)荷下有效降低燃油消耗率。

車輛仿真

項(xiàng)目組使用AVL CRUISE仿真軟件，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)脈譜圖，進(jìn)行直線行駛的仿真。通過(guò)和原裝3.6升自然吸氣進(jìn)氣道噴射V6發(fā)動(dòng)機(jī)的比較發(fā)現(xiàn)，使用2.0升直列四缸增壓直噴加HCCI就能直接降低42.4%的城市-公路循環(huán)油耗。

如果加入熱管理系統(tǒng)和自動(dòng)起停，節(jié)油效果更達(dá)到48.9%。

性能方面，原裝3.6升V6百公里加速用時(shí)5.5秒，換裝發(fā)動(dòng)機(jī)后用時(shí)6.2秒。

現(xiàn)在原裝發(fā)動(dòng)機(jī)已按照試驗(yàn)結(jié)果完成改造，現(xiàn)在正在AVL、博世和密歇根大學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)。