Obsah tohto článku je založený na správe o technickom hodnotení dokončenej spoločnosťou Roush Industries v mene spoločnosti CAEP v roku 2021. Systematicky vyrieši technické trasy pre efektívne benzínové motory v roku 2025 a neskôr, čím odhalí kľúčové technológie na zlepšenie tepelnej účinnosti a znižovanie emisií. Mnohé z týchto technických riešení boli implementované na súčasnom trhu.
1. Technológia zmiešaného riedenia plynu
Hodnota špecifického pomeru tepelného pomeru sa zvyšuje prostredníctvom riedenia EGR alebo vzduchu, čím sa zvyšuje množstvo práce prevedenej piestom počas expanzného zdvihu. Nasledujúci obrázok ukazuje vplyv kompresného pomeru (CR) a hodnotu 𝛾 na účinnosť konverzie paliva v cykle konštantného objemu. Hodnota 𝛾 zmesi vzduchu je približne 1,4, zatiaľ čo hodnoty spaľovacích produktov (oxid uhličitý a vodná pary) sú nižšie, blízko 1,3. Hodnota 𝛾 zmesi vo valcovej zmesi zriedenej vzduchom je vyššia v porovnaní so zmesou zriedenou recirkuláciou výfukových plynov (CEGH). Vďaka tomu je motor s štíhlym spaľovaním (riedenie vzduchu) efektívnejší pri rovnakom ekvivalentnom riedení (tj pomer paliva k zmesi plynu nepaleného plynu vo valci).
1. Technológia zmiešaného riedenia plynu
Hodnota špecifického pomeru tepelného pomeru sa zvyšuje prostredníctvom riedenia EGR alebo vzduchu, čím sa zvyšuje množstvo práce prevedenej piestom počas expanzného zdvihu. Nasledujúci obrázok ukazuje vplyv kompresného pomeru (CR) a hodnotu 𝛾 na účinnosť konverzie paliva v cykle konštantného objemu. Hodnota 𝛾 zmesi vzduchu je približne 1,4, zatiaľ čo hodnoty spaľovacích produktov (oxid uhličitý a vodná pary) sú nižšie, blízko 1,3. Hodnota 𝛾 zmesi vo valcovej zmesi zriedenej vzduchom je vyššia v porovnaní so zmesou zriedenou recirkuláciou výfukových plynov (CEGH). Vďaka tomu je motor s štíhlym spaľovaním (riedenie vzduchu) efektívnejší pri rovnakom ekvivalentnom riedení (tj pomer paliva k zmesi plynu nepaleného plynu vo valci).
1.1 Neatalytické špeciálne reformovanie valca (D-Eg)
Špeciálny systém EGR vyvinutý Juhozápadným výskumným ústavom (SWRI). Tento systém vytvára reformovaný plyn s vysokými koncentráciami H₂ a Co prevedením jedného valca na režim spaľovania bohatého na ropu. Tieto reformné plyny sa zavádzajú do vstupných prístavov iných valcov a úplné spaľovanie pri spaľovaní SI [10]. Demonštračný test SWRI D-Egn vykonaný na 2,4-litrovom PFI prirodzene nasávaného motora naznačuje, že spotreba paliva sa v celom prevádzkovom rozmedzí motora zlepšila o viac ako 10%.
1.2 Reformovanie recirkulácie katalytického odpadového plynu
Jeden z valcov pracuje v pomere chudého vzduchového paliva a po spaľovaní prijíma technológiu vstrekovania sekundárnych palív. Výfukový plyn z tohto valca je ošetrený katalyzátorovým lôžkom a vytvára reformovanie plynu bohatých na vodík prostredníctvom endotermických reakcií. V teste 2,0-litrového GM Ecotec LNF DI motora, keď rotačná rýchlosť dosiahla 2000 ot./min. A hodnota Boost bola 4 bar, dosiahla sa koncentrácia príjmu vodíka 5%. Objemový pomer recirkulácie odpadových plynov sa zvýšil z menej ako 25% na viac ako 50%. Účinnosť tohto motora v prevádzkovom bode sa zvýšila o 8% v porovnaní s hodnotou referenčnej hodnoty.
2. Optimalizácia expanzného pomeru
Motor s vysokým geometrickým pomerom kompresie, ale účinný kompresný pomer nižší ako účinný pomer expanzie je účinným spôsobom, ako zlepšiť účinnosť motora. V motoroch vyrábaných s hmotnosťou sa cykly nadmerného expanzie zvyčajne dosahujú zatvorením sacích ventilov vopred (EIVC) alebo odložením zatvárania sacích ventilov. Kratší príjmový zdvih vedie k zníženiu množstva kompresie nakresleného motora na cyklus, takže na udržanie rovnakej úrovne krútiaceho momentu/výkonu ako motory mimo Atkinson/Miller je potrebný väčší posunový motor. V prípade preplňovaných motorov môže byť strata objemu príjmového zdvihu kompenzovaná zvýšením zvýšeného tlaku. Može s preplňovanými mlynskými cyklami majú vyšší pomer expanzie a nižšie teploty výfukových plynov, čím sa znižuje dopyt po štíhlom spaľovaní.
Jednou z výziev, ktorej čelia pri prijímaní stratégií EIVC a LIVC, je to, že turbulencia na konci kompresnej mozgovej príhody oslabí. Obrázok 6 nižšie zobrazuje zmeny v turbulentnej kinetickej energii (TKE) vo valci, keď sa prijmú stratégie EIVC a LIVC v porovnaní s referenčným motorom. Toto zníženie TKE povedie k zníženiu nestability spaľovania a nestability spaľovania. V niektorých prípadoch to môže v porovnaní s referenčným motorom viesť dokonca k zníženiu účinnosti a zvýšeniu emisií.
Nasledujúci obrázok ukazuje plán optimalizácie návrhu požadovaný pre motor B-Type EA888 (2,0-litrový štvorvalcový) na udržanie hladiny turbulencie valca valca valca v predchádzajúcom generácii cyklusu predchádzajúcej generácie. Tento motor prijíma technológiu EIVC na dosiahnutie Millerovho cyklu a je potrebné udržiavať turbulencie vo vnútri valca a účinnosť spaľovania prostredníctvom optimalizácie návrhu motora.
3. Menší pomer mŕtvice valca
Nasledujúci obrázok ukazuje zmeny v troch hlavných faktoroch, ktoré určujú optimálny pomer zdvihu otvoru motora: rýchlosť piest, plocha povrchu k objemu a pokles tlaku na oboch stranách sacieho ventilu. Optimálny pomer mŕtvice vrtu je určený nasledujúcimi faktormi:
Priemerná rýchlosť piestov: Čím dlhší zdvih, tým vyššia je priemerná rýchlosť piestov a zároveň obmedzuje maximálnu rýchlosť motora. Či už je preplňovaný alebo prirodzene nasávaný motormi, väčšina z nich v súčasnosti nedosiahla hornú hranicu priemernej rýchlosti piestu, ktorú môže súčasná technológia dosiahnuť (asi 25 m/s).
Charakteristiky poklesu tlaku sacieho ventilu: Motory s veľkým konštrukciou pomeru vrtu môžu zväčšiť veľkosť ventilu, vytvárať väčšiu plochu prietoku (tj prietokovú zónu), čím sa zníži pokles tlaku na obidvoch koncoch ventilu a zlepšuje objemovú účinnosť. Pri vysokých rýchlostiach však objemová účinnosť motorov s nízkym obsahom vrtov klesne, čo viedlo k predčasnému útlmu krútiaceho momentu a výkonu v rozsahu rýchlosti motora.
Účinnosť prenosu tepla: Nižší kompresný pomer (BSR) zníži povrchovú plochu k objemu pomeru spaľovacej komory (najmä v blízkosti horného mŕtveho stredu spaľovania), čím sa oslabí účinok prenosu tepla spaľovania. Ako sa zvyšuje kompresný pomer, rastie povrchovej plochy k objemu rastúcej komory rastie, čo vedie k zvýšeniu strát prenosu tepla a kompenzácii niektorých výhod spôsobených zlepšením účinnosti. Tento účinok je obzvlášť významný v motoroch cyklu Atkinson-Miller s extrémne vysokými geometrickými kompresnými pomermi.
Odolnosť za detonáciu spôsobená vzdialenosťou šírenia plameňa: Menší pomer priemeru valca skráti vzdialenosť šírenia plameňa, čím sa zníži čas uvoľňovania tepla (zvýšenie podielu spaľovania konštantného objemu). Skrátenie času spaľovania tiež zníži detonáciu (čas, aby sa terminálny plyn dosiahol v podmienkach samopodstatnenia, je kratší). To umožňuje vyšší kompresný pomer.
Turbulencia vo valci a rýchlosť spaľovania: S rastúcou rýchlosť piestov sa zintenzívňuje turbulencia vo valci. Ak sú otvor a mŕtvica relatívne nízky, za rovnakých podmienok otáčania a posunu, rýchlosť rotácie piestov je v skutočnosti vyššia. Táto vylepšená turbulencia môže urýchliť rýchlosť spaľovania a znížiť tendenciu detonácie (pretože čas na dosiahnutie stavu samopodstatnenia je kratší). To umožňuje motoru prijať vyšší kompresný pomer.
4. Optimalizácia tepelného riadenia
Typický motor SI generuje počas spaľovania veľké množstvo tepla, z ktorého sa asi jedna tretina prenáša do steny valca a ďalšia tretina sa stratí na chladivo. Kľúčové technológie na zníženie straty prenosu tepla zahŕňajú:
Zvýšenie zadržanej štíhlej zmesi môže znížiť teplotu spaľovania, čím sa zníži straty prenosu tepla
Motové motory navrhnuté s nízkym špecifickým pomerom povrchovej plochy (BSR) môžu účinne znížiť pomer povrchovej plochy k objemu spaľovacej komory, čo ďalej minimalizuje straty prenosu tepla
Rozdelený chladiaci systém - Nastavením nezávislých chladiacich obvodov pre blok valca a hlavu valca je možné zachovať optimálnu pracovnú teplotu hlavy valca a valca. Hlavy s nízkym teplotou valcov môžu zabrániť klepaniu a podporu prevádzky vysokého kompresného pomeru. Steny s vysokým teplotou valcov môžu znížiť straty prenosu tepla a nižšie trenie. Rozdelený chladiaci systém môže tiež urýchliť predhrievanie spaľovacej komory, zvýšiť stabilitu spaľovania a znížiť emisie počas začiatku zachladnutia.
Termálna bariérová povlaky prostredníctvom kompozitnej štruktúry keramických povlakov (ako je zirkón stabilizovaný YSZ YTTRIA) a vrstvy kovových väzieb môže znížiť teplotu steny spaľovacej komory o 150-300 stupňov a znížiť stratu vodivého tepelného tepla cez blok valca a piest o 25 až 30% z celkovej energetickej straty).
Zhrnutie
Nasledujúci obrázok sumarizuje vplyv rôznych technológií na každé spojenie prevádzky motora. Zelená časť naznačuje pozitívne účinky, zatiaľ čo červená časť predstavuje negatívne vplyvy. Napríklad technológia chladiaceho EGR môže zvýšiť špecifickú tepelnú kapacitu zmesi vo valci, znížiť straty prenosu tepla a tým zlepšiť účinnosť motora. Zároveň však táto technológia bude mať nepriaznivý vplyv na stabilitu spaľovania a mieru spaľovania. Preto jeho kombinácia s vysokoenergetickým zapaľovacím systémom a návrhom nízkeho pomeru vrtu bude mať viac výhod. Niektoré slabé interakcie nie sú znázornené na obrázku, ako je napríklad vplyv kompresného pomeru (pri rovnakom pomere vrtu valca) na parametre, ako je prenos tepla.
