具有柴油機效率的汽油發(fā)動機

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

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

里卡多著手研發(fā)新型渦輪增壓噴霧引導直噴(T-SGDI)燃燒系統(tǒng)技術之時，其初始目標是設計出高效、低NOx的燃燒流程，且可在最為惡劣的駕駛條件下穩(wěn)定運行。通過2008~2011年間與PETRONAS Research Sdn Bhd合作，里卡多證實T-SGDI發(fā)動機可以突破分層燃燒技術此前的局限。

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)動機采用新型增壓T-SGDI燃燒系統(tǒng)，能夠顯著提高燃油效率，并能夠在高達15bar的BMEP水平下實施分層燃燒，令此前技術望塵莫及。在“典型”的2000r/min、2bar BMEP水平下，稀薄分層T-SGDI發(fā)動機的制動馬力油耗(BSFC)僅為277.5g/kWh，而同質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)動機相當?shù)?06g/kWh。在2500r/min下，T-SGDI發(fā)動機甚至能超越基準型EU5四缸1.6L柴油發(fā)動機的BSFC水平。

CAE引領的研發(fā)流程

為提供模擬工具鏈(tool-chain)以實現(xiàn)新型T-SGDI燃燒系統(tǒng)的工程生產(chǎn)實施，研究者必須開發(fā)及驗證能夠在正常運行情況下可靠模擬燃燒發(fā)動機的流程。流程的第一階段旨在確定所選噴射器和噴射戰(zhàn)略的噴射結構特征。

里卡多與卡迪夫大學和布萊頓大學經(jīng)過多年合作，開發(fā)出了標準化激光診斷工具，為這項工作奠定了基礎。這套工具包括一部光學訪問室(optically accessed chamber)，噴射器向這部光學訪問室噴射燃油。研究人員分別在環(huán)境條件下和加壓以及發(fā)動機典型運行溫度條件下進行了測量。在多數(shù)實施流程中，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，并對重要讀數(shù)的變差系數(shù)進行了處理。

里卡多CAE經(jīng)理James Mullineux介紹說：“用于驗證選定噴射器的詳細VECTIS噴射模型是模擬新型燃燒系統(tǒng)運行情況的第一步。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)動機設計領域的最新技術。因此，針對各種新型噴射器類型，對我們的噴霧模型進行直接驗證，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調整VECTIS模型，以期與實際燃油噴射結構相匹配——包括選定噴射器在各種情況下的微滴構成、聚結和分解、蒸發(fā)和滲透?！?/P>

光學發(fā)動機

T-SGDI燃燒系統(tǒng)理念本身就是一項創(chuàng)新，因此研究項目又增加了一個步驟，用于驗證CAE模擬流程。研究者在布萊頓大學構造了一部單缸光學發(fā)動機，供研究項目使用。這種發(fā)動機有可能是全球同類發(fā)動機中最先進的產(chǎn)品，其光學觀測性能與此前設計相比得到顯著提高，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)動機采用石英光學缸襯，因此具有清晰光學特性，這種缸襯在同類發(fā)動機中獨一無二，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)動機低端采用傳統(tǒng)連接桿和帶有括油環(huán)的活塞，運行于傳統(tǒng)鑄鐵缸體，旨在保存曲軸箱中的潤滑油。

發(fā)動機的光學部件位于組裝件上端，一部中空鈦質連桿連接活塞底部與上部，連桿本身即采用獨特的上端設計，配備帶有碗形部件和斷流閥的石英冠?；钊⒐谶€配備魚眼鏡頭，可用于清晰觀看燃燒流程?；钊旧頌閺秃象w，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)動機一側，可以豎直向上方式清晰觀看燃燒室情況，光學活塞在石英缸體內(nèi)“干運轉”。缸頭采用黑色陽級氧化材質，以防止激光反射，發(fā)動機可在70bar峰值缸壓下運行。

Mulllineux繼續(xù)介紹說：“光學發(fā)動機推動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，幫助我們進一步驗證VECTIS和WAVE模型。很明顯，燃燒室的幾何設計與金屬發(fā)動機不同——因為活塞頂?shù)聂~眼鏡頭采用碗形上表面——從而推動驗證流程邁出了極為重要的一步，使VECTIS和WAVE模擬為推動研究型發(fā)動機的研發(fā)做出了貢獻?！?/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)動機有效控制燃燒率，不過T-SGDI燃燒系統(tǒng)采用多噴射技術限制噴霧滲透，從而避免缸壁潮濕。在多種經(jīng)過適當優(yōu)化的運行條件下(如T-SGDI系統(tǒng))，這種策略可于點火前在火花塞區(qū)域集中形成化學當量混合物。除通過無節(jié)流運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)動機開展了進一步工作，以調查多噴射戰(zhàn)略的效果及其對油耗、排放和燃燒穩(wěn)定性的改進。最后，研究人員測試了一部全功能四缸里卡多Volcano汽油發(fā)動機，以驗證單缸發(fā)動機和CAE研究結果，并開展了進一步排放研究。由于燃燒參數(shù)多達40多種，研究人員在T-SGDI發(fā)動機研發(fā)過程中采用了內(nèi)部研發(fā)的實驗設計(DoE)與目標優(yōu)化套件。

Volcano發(fā)動機的運行

四缸2.0L Volcano發(fā)動機的缸徑與沖程為86mm，額定壓力比為10.7:1。該發(fā)動機配備雙凸輪相位器，用于可變氣門正時(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，研究者共調查了四種不同類型的噴射器技術，包括壓電式與螺線管式。

在197kW和391Nm扭矩下，發(fā)動機足以為歐洲或北美常見的D級車提供強大動力。 不過，T-SGDI技術也可調低規(guī)格，以適合72mm缸徑。標準燃油為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)定運行。

與柴油發(fā)動機類似，T-SGDI發(fā)動機在幾乎完全無節(jié)流的情況下運行，可吸入更多空氣(最高轉速為4500r/min)，可根據(jù)駕駛者的負載請求確定燃油噴射量。根據(jù)負載請求，λ1空氣燃油混合區(qū)的尺寸在從分層混合區(qū)到占據(jù)整個燃燒室的完全化學當量混合區(qū)之間變化。 在空氣燃油比率為160:1 (λ>10)的穩(wěn)定空轉，到最高15bar BMEP的加壓中級負載，分層燃燒室周圍環(huán)繞以富余空氣和/或剩余燃氣。

NOx排放

如何將部分負載發(fā)動機的NOx排放水平降低到合適水平，以實現(xiàn)符合EuroⅥ及更高標準的低成本后處理解決方案，包括擬議中的極為嚴格的LEV 3美國法規(guī)，這是項目所面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)。為應對這項挑戰(zhàn)，發(fā)動機在多噴射和外部EGR的支持下，對燃燒階段進行了優(yōu)化。在加壓模式下，T-SGDI發(fā)動機最多使用30%的低壓EGR。在非加壓模式下，發(fā)動機既可使用低壓EGR，也可使用高壓EGR。

外部EGR也可在高負載條件下使用，不過此時其減震效果將優(yōu)于NOx減排效果。T-SGDI發(fā)動機在完全分層情況下可實現(xiàn)0.5~2g/kW時的NOx排放水平。與MIVIS和EGR相結合，發(fā)動機的NOx排放水平將減少至傳統(tǒng)的均質汽油發(fā)動機的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)動機滿足未來NOx法規(guī)的要求。

未來潛力

里卡多T-SGDI發(fā)動機能夠進一步提高穩(wěn)定性，實現(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)動機和重新設計的點火系統(tǒng)開展的研究工作表明，與制動有關的油耗可降低至不足200g/kW時。不過，研究人員面臨的挑戰(zhàn)在于如何在滿足未來美國LEV 3排放法規(guī)的同時保持這種高效率水平。通過實施米勒周期(Miller cycle)以減少壓縮溫度、增加擴展比，這種發(fā)動機還有可能進一步增加耐震性能。

噴射戰(zhàn)略——性能的關鍵保障

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)負載情況而有所不同：

低負載及最高7bar BMEP：發(fā)動機在自然進氣和分層燃燒模式下高效運行。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)最適宜的熱力學條件實施燃燒相位調整，從而提高燃油效率、顯著降低發(fā)動機NOx排放水平。這種技術解決了分層燃燒發(fā)動機此前面臨的一個問題，即發(fā)動機在幾乎所有分層點都傾向于過提前燃燒。由于在上止點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)動機的NOx排放量就可減少近乎一半。

中負載，1250~4500r/min，8~15barBMEP：在這種情況下，T-SGDI發(fā)動機運行于加壓分層模式。每次噴射互相獨立，在較長時間段內(nèi)完成，因加壓而實現(xiàn)的稀薄運行有助于減少熱損，二者相結合可以改進熱效率。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)略都能實現(xiàn)優(yōu)化混合，同時也能控制增壓湍流動能，以確保良好的可燃性，并在點火后優(yōu)化熱釋放。

中至全負載：根據(jù)燃油效率或排放控制特性，此時燃燒室充入稀薄或同質λ1混合燃油。燃油通過進氣口和壓縮沖程噴射入燃燒室，以減少爆震。