Vsebina tega članka temelji na poročilu o tehnični oceni, ki ga je leta 2021 zaključila Roush Industries v imenu CAELP. Sistematično razvršča tehnične poti za učinkovite bencinske motorje v 2025 in več, kar razkriva ključne tehnologije za izboljšanje toplotne učinkovitosti in zmanjšanje emisij. Mnoge od teh tehničnih rešitev so bile izvedene na trenutnem trgu.
1. tehnologija mešanega plina
Specifična vrednost toplotnega razmerja se poveča z EGR ali redčenjem zraka, s čimer se poveča količina dela, ki ga bat prenese med širitvijo. Naslednja slika prikazuje vpliv kompresijskega razmerja (CR) in vrednost 𝛾 na učinkovitost pretvorbe goriva v konstantnem volumskem ciklu. 𝛾 Vrednost zračne mešanice je približno 1,4, medtem ko so vrednosti izdelkov za zgorevanje (ogljikov dioksid in vodna para) nižje, blizu 1,3. 𝛾 vrednost mešanice v cilinderju, razredčene z zrakom, je večja v primerjavi z mešanico, razredčeno s hladilno recirkulacijo izpušnih plinov (CEGR). Zaradi tega je motor z vitko zgorevanje (redčenje zraka) učinkovitejši pri enakem enakovrednem redčenju (tj. Razmerje z mešanico goriva in ne goriva v valju).
1. tehnologija mešanega plina
Specifična vrednost toplotnega razmerja se poveča z EGR ali redčenjem zraka, s čimer se poveča količina dela, ki ga bat prenese med širitvijo. Naslednja slika prikazuje vpliv kompresijskega razmerja (CR) in vrednost 𝛾 na učinkovitost pretvorbe goriva v konstantnem volumskem ciklu. 𝛾 Vrednost zračne mešanice je približno 1,4, medtem ko so vrednosti izdelkov za zgorevanje (ogljikov dioksid in vodna para) nižje, blizu 1,3. 𝛾 vrednost mešanice v cilinderju, razredčene z zrakom, je večja v primerjavi z mešanico, razredčeno s hladilno recirkulacijo izpušnih plinov (CEGR). Zaradi tega je motor z vitko zgorevanje (redčenje zraka) učinkovitejši pri enakem enakovrednem redčenju (tj. Razmerje z mešanico goriva in ne goriva v valju).
1.1 Ne-katalitično posebno reformo v cilindru (D-EGR)
Namenski sistem EGR, ki ga je razvil jugozahodni raziskovalni inštitut (SWRI). Ta sistem ustvari reformirani plin z visokimi koncentracijami H₂ in CO s pretvorbo enega valja v način zgorevanja, bogatega olja. Ti reformirajoči plini se vnesejo v sesalna vrata drugih jeklenk in popolno zgorevanje v zgorevanju Si [10]. Predstavitev preizkusa SWRI D-EGR, ki je bil izveden na 2,4-litrskem PFI, naravno aspiriranem motorju, kaže, da se je poraba goriva v celotnem delovnem območju motorja izboljšala za več kot 10%.
1.2 Reformiranje recirkulacijske zanke s katalitičnim odpadnim plinom
Eden od jeklenk deluje v vitkem razmerju z zračnim gorivom in po zgorevanju sprejme sekundarno tehnologijo vbrizgavanja goriva. Izpušni plini iz tega valja obdelajo s katalizatorskim dnom in z endotermičnimi reakcijami ustvari reformni plin, bogat z vodikom. V testu 2,0-litrskega GM Ecotec LNF DI motorja, ko je rotacijska hitrost dosegla 2000 vrt./min in je bila povečana vrednost 4 bar, je bila dosežena koncentracija vnosa vodika 5%. Prostornino razmerja recirkulacije odpadnih plinov se je povečalo z manj kot 25% na več kot 50%. Učinkovitost tega motorja na obratovalni točki se je v primerjavi z vrednostjo referenčne vrednosti povečala za 8%.
2. Optimizacija razmerja razširitve
Motor z visokim geometrijskim kompresijskim razmerjem, vendar je učinkovito razmerje kompresije, nižje od učinkovitega raztezanja, učinkovit način za izboljšanje učinkovitosti motorja. V motorjih z množično proizvedenim ciklom se ponavadi dosežejo pretirano razširjeni cikli z zapiranjem sesalnih ventilov vnaprej (EIVC) ali zavlačevanjem zapiranja dovodnih ventilov. Krajši vnosni kap vodi do zmanjšanja količine stiskanja, ki ga pritegne motor na cikel, zato je za vzdrževanje enake stopnje navora/moči kot motorji, ki niso Atkinson/Miller, potreben motor z večjo stopnjo. Za motorje s turbinskimi polnilnimi motorji lahko izgubo obsega vnosa hod nadomestimo s povečanjem pritiska za povečanje. Motorji s turbopolnilnimi mlinarskimi cikli imajo večje razmerje razširitve in nižje temperature izpušnih plinov, kar zmanjšuje povpraševanje po vitkem zgorevanju.
En izziv, s katerim se soočajo pri sprejetju strategij EIVC in LIVC, je, da bo turbulenca na koncu stiskalne kapi oslabila. Slika 6 spodaj prikazuje spremembe turbulentne kinetične energije (TKE) znotraj valja, ko se v primerjavi z referenčnim motorjem sprejmejo strategije EIVC in LIVC. To zmanjšanje TKE bo privedlo do zmanjšanja učinkovitosti zgorevanja in nestabilnosti zgorevanja. V nekaterih primerih lahko v primerjavi z referenčnim motorjem to celo privede do zmanjšane učinkovitosti in povečanih emisij.
Naslednja slika prikazuje načrt optimizacije oblikovanja, potreben za motor B-tipa EA888 (2,0-litrski štirivaljnik) za vzdrževanje ravni turbulenc v valjniku ne-millerjevega cikla motorja prejšnje generacije. Ta motor sprejme tehnologijo EIVC za dosego Millerjevega cikla, zato je treba ohraniti turbulenco znotraj cilindra in učinkovitosti zgorevanja z optimizacijo oblikovanja motorja.
3. Manjše razmerje med vrtino cilindra
Naslednja slika prikazuje spremembe v treh glavnih dejavnikih, ki določajo optimalno razmerje med vrtino motorja: hitrost bata, razmerje med površino in volumnom in padec tlaka na obeh straneh sesalnega ventila. Optimalno razmerje med vrtino je določeno z naslednjimi dejavniki:
Povprečna hitrost bata: daljša je poteza, večja je povprečna hitrost bata, hkrati pa omejuje največjo hitrost motorja. Ne glede na to, ali gre za turbopolnjene ali naravno aspirirane motorje, večina danes ni dosegla zgornje meje povprečne hitrosti bata, ki jo lahko doseže trenutna tehnologija (približno 25 m/s).
Karakteristike padca tlaka v dovodnem ventilu: Motorji z velikim oblikovanjem razmerja vrtine lahko povečajo velikost ventila, kar tvori večje pretočno območje (tj. Pretočno območje) in s tem zmanjša padec tlaka na obeh koncih ventila in izboljšuje volumetrično učinkovitost. Vendar pa se bo z velikimi hitrostmi zmanjšala volumetrična učinkovitost motorjev z nizkim razmerjem vrtine, kar bo povzročilo prezgodnje slabljenje navora in moči v območju hitrosti motorja.
Učinkovitost prenosa toplote: Nižje razmerje stiskanja (BSR) bo zmanjšalo razmerje med površino in prostornino zgorevalne komore (zlasti v bližini zgornjega mrtvega središča zgorevanja) in s tem oslabilo učinek prenosa toplote. Ko se kompresijsko razmerje povečuje, raste površino in prostorninsko razmerje zgorevalne komore, kar vodi do povečanja izgub prenosa toplote in izravnave nekaterih prednosti, ki jih je prineslo izboljšanje učinkovitosti. Ta učinek je še posebej pomemben pri motorjev cikla Atkinson-Miller z izjemno visokimi geometrijskimi kompresijskimi razmerji.
Detonacijska upornost, ki jo povzroči razdalja širjenja plamena: manjše razmerje premera cilindra bo skrajšalo razdaljo širjenja plamena in s tem zmanjšalo čas sproščanja toplote (povečanje deleža konstantnega izgorevanja volumna). Skrajšanje časa zgorevanja bo tudi zmanjšalo eksplozijo (čas, da končni plin doseže stanje samourizganja, je krajši). To omogoča večje kompresijsko razmerje.
Turbulenca v jeklenki in hitrost zgorevanja: Ko se hitrost bata povečuje, se turbulenca v jeklenki poveča. Kadar sta izvrtina in možganska kap razmeroma nizka, je v enakih rotacijskih hitrostih in premikih, je rotacijska hitrost bata dejansko višja. Ta izboljšana turbulenca lahko pospeši hitrost zgorevanja in zmanjša težnjo detonacije (saj je čas, da terminalni plin doseže stanje samo-podpiranje, krajši). To motorju omogoča, da sprejme večje kompresijsko razmerje.
4. Optimizacija toplotnega upravljanja
Običajni motor SI med zgorevanjem ustvari veliko količino toplote, od tega se približno tretjina prenese na steno valja, še ena tretjina pa izgubi hladilno tekočino. Ključne tehnologije za zmanjšanje izgube prenosa toplote vključujejo:
Povečanje zadržane vitke mešanice lahko zniža temperaturo zgorevanja in tako zmanjša izgube prenosa toplote
Motorji, zasnovani z nizkim specifičnim razmerjem površine (BSR), lahko učinkovito zmanjšajo razmerje med površino in prostornino zgorevalne komore, kar še zmanjša izgube prenosa toplote
Split hladilni sistem - Z nastavitvijo neodvisnih hladilnih tokokrogov za blok cilindra in glavo valja lahko vzdržujete optimalno delovno temperaturo glave valja in bloka valja. Glave valja z nizko temperaturo lahko preprečijo trkanje in podpirajo visoko stiskanje. Visokotemperaturne stene jeklenk lahko zmanjšajo izgube prenosa toplote in zmanjšajo trenje. Sistem razcepljenega hlajenja lahko tudi pospeši predgrevanje zgorevalne komore, poveča stabilnost zgorevanja in zmanjšuje emisije med mrazom.
Toplotna pregrada s kompozitno strukturo keramičnih premazov (na primer cirkonija, stabiliziranih z YSZ YTTRIA) in kovinskim vezavnim slojem, lahko zniža temperaturo zgorevalne komore za 150-300 stopinj in zmanjša izgubo toplote prevodnosti s blokom in batom cilindrja (kar predstavlja 25-30% izgube energije).
Povzetek
Naslednja slika povzema vpliv različnih tehnologij na vsako povezavo delovanja motorja. Zeleni del kaže na pozitivne učinke, medtem ko rdeči del predstavlja negativne vplive. Na primer, tehnologija hlajenja EGR lahko poveča specifično toplotno zmogljivost mešanice v jeklenki, zmanjša izgube prenosa toplote in s tem izboljša učinkovitost motorja. Vendar bo ta tehnologija hkrati škodljivo vplivala na stabilnost zgorevanja in hitrost zgorevanja. Zato bo kombiniranje z visokoenergijskim sistemom za vžig in zasnovo motorja z nizkim robom vrtine imelo več prednosti. Nekatere šibke interakcije niso prikazane na sliki, kot je vpliv kompresijskega razmerja (pod enakim razmerjem vrtine cilindra) na parametre, kot je prenos toplote.
