| 汽油发动机的节能降耗 |
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3.均质压燃技术
汽油机技术更为重要的突破是均质压燃燃烧。由于燃烧不再依靠点燃和火焰传播,传统的点燃燃烧方式对空燃比和压缩比的限制被消除,因此,汽油机的热效率有可能大幅度提高。
均质压燃汽油机可以有不同的技术方案,因此,其热效率和均质压燃工作范围会有很大不同,对汽车平均油耗的影响也不同。目前最流行的CAI型汽油机利用负的进排气门重叠来大幅度增加残余废气,使混合气能在上止点达到自燃温度。另一种CSI型汽油机的排气阀在进气过程中重新打开,使排出的废气重新回到气缸,增加混合气温度来实现均质压燃。还有一种VCR型汽油机,大幅度增加发动机的压缩比来使混合气能在上止点发生自燃。稍后的改进型增加了热交换器,用排气的热量加热进气。
在1999年提出的一种OKP型汽油机,利用快速热管理来控制进气温度。其压缩比提高到15%左右,并利用热交换器从排气和冷却水中取得热量来加热进气。通过气门控制能适度增加残余废气,进一步提供自燃所需要的热量。进气温度和燃烧时间是通过气阀改变加热和未加热气流的比例来控制的。在高负荷工况采用点燃燃烧。为此,需改变气门定时,降低有效压缩比来避免爆震,并采用增压中冷来弥补充量效率的下降。
从理论分析角度,恰当设计的均质压燃汽油机可以大幅度降低部分负荷工况的油耗。影响活塞式发动机热效率主要有7个因素,如表所示。根据这7个因素对不同的发动机进行评价(A优于B)。OKP型汽油机在每个方面都属于较好的A组,已接近活塞式发动机部分负荷热效率在技术上的上限。
发动机台架实验也证明,适当设计的均质压燃汽油机确实能够大幅度降低发动机部分负荷的油耗。图2所示为一台OKP型均质压燃汽油机、两台常规电喷汽油机及一台分层燃烧缸内直喷汽油机样机在1500r/min转速下不同负荷的指示比油耗。测试方法和数据处理方法相同。可以看到,OKP型均质压燃汽油机大幅度降低了部分负荷油耗。
均质压燃的工作范围是决定汽车平均油耗的另一重要因素。根据对均质压燃工作范围的限制和扩展工作范围方法,分析比较不同的均质压燃燃烧系统,可以得出结论,OKP汽油机均质压燃的工作范围和VCR汽油机一样,比其他均质压燃汽油机宽。
图4 单缸实验发动机活塞
图3所示为单缸实验发动机安装在试验台上的情况。OKP型均质压燃汽油机的实验数据在此实验发动机上取得。发动机活塞见图4,喷油油束的位置见图中标注。按照美国EPA规定,根据实验数据估算的测试的OKP型汽油机汽车平均燃油效率可比电喷汽油车提高25%~30%。与之相比,根据理论分析和最新的实验结果,CAI型汽油机仅能提高汽车平均油耗10%左右(见图1)。
燃烧时间控制是一些发动机专家对均质压燃技术在车辆上应用的可行性持怀疑态度的原因。很多均质压燃汽油机的实验都表明,通过控制混合气达到自燃温度的时间可以可靠地控制燃烧时间。包括燃烧模式转换在内的燃烧时间可靠控制是也可以做到的。2007年通用和戴姆勒公司分别展示了采用均质压燃汽油机的样车,也证明了这一点。
OKP型均质压燃汽油机虽然比常规发动机复杂,但它仅采用已经有、或技术已比较成熟的发动机零部件。单机成本的增加将低于混合动力和柴油机,而节油效果高于柴油机,与混合动力相当(见图1)。均质压燃汽油机的开发至今尚未遇到任何根本性的、会导致难以在车辆上应用的技术障碍。因此,在汽车产品上应用均质压燃汽油机,尤其是OKP型汽油机,是完全可行的。
在产品汽油机上应用均质压燃需要解决的一个问题是低成本的传感器,用于检测燃烧时间,以便进行反馈控制。现有的压力传感器成本太高。另一个要解决的问题是由于要增加热交换器等,发动机的体积增加,造成在汽车上布置的困难。
总而言之,高效汽油机技术的种类很多。其目标通常为提高汽车在最常用的部分负荷工况的燃油效率。不同的高效汽油机技术的成本、节油效果也不同(见图1)。高效汽油机技术的最终目标是接近活塞式发动机部分负荷热效率在技术上的上限。把汽车平均燃油效率从目前常规电喷汽油车的水平提高25%~30%。
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