Tämän artikkelin sisältö perustuu Roush Industriesin CAELP: n puolesta suorittamaan tekniseen arviointiraporttiin vuonna 2021. Se lajitella systemaattisesti tehokkaiden bensiinimoottorien tekniset reitit vuonna 2025 ja sen jälkeen, mikä paljastaa keskeiset tekniikat lämpötehokkuuden parantamiseksi ja päästöjen vähentämiseksi. Monet näistä teknisistä ratkaisuista on toteutettu nykyisillä markkinoilla.
1. Sekoitettu kaasun laimennustekniikka
Erityinen lämpösuhteen arvo nousee EGR: n tai ilman laimennuksen avulla, mikä lisää männän siirtämän työn määrää laajennuksen aivohalvauksen aikana. Seuraava kuva näyttää puristussuhteen (CR) ja 𝛾 -arvon vakiotilavuusjakson polttoaineen muuntamistehokkuuteen. Ilmaseoksen 𝛾 -arvo on noin 1,4, kun taas palamistuotteiden (hiilidioksidi ja vesihöyry) arvot ovat pienempiä, lähes 1,3. Ilmalla laimennetun sylinterin seoksen 𝛾-arvo on suurempi verrattuna seokseen, joka on laimennettu jäähdytyskaasun kierrätyksellä (CEGR). Tämä tekee moottorista vähärasvaisen palamisen (ilman laimennus) tehokkaamman saman ekvivalentin laimennuksen alla (ts. Polttoaineen suhde ei-polttoaineen kaasuseokseen sylinterissä).
1. Sekoitettu kaasun laimennustekniikka
Erityinen lämpösuhteen arvo nousee EGR: n tai ilman laimennuksen avulla, mikä lisää männän siirtämän työn määrää laajennuksen aivohalvauksen aikana. Seuraava kuva näyttää puristussuhteen (CR) ja 𝛾 -arvon vakiotilavuusjakson polttoaineen muuntamistehokkuuteen. Ilmaseoksen 𝛾 -arvo on noin 1,4, kun taas palamistuotteiden (hiilidioksidi ja vesihöyry) arvot ovat pienempiä, lähes 1,3. Ilmalla laimennetun sylinterin seoksen 𝛾-arvo on suurempi verrattuna seokseen, joka on laimennettu jäähdytyskaasun kierrätyksellä (CEGR). Tämä tekee moottorista vähärasvaisen palamisen (ilman laimennus) tehokkaamman saman ekvivalentin laimennuksen alla (ts. Polttoaineen suhde ei-polttoaineen kaasuseokseen sylinterissä).
1.1 Ei-katalyyttinen erityinen sylinterinen uudistus (D-EGR)
Southwest Research Institute (SWRI) kehittämä omistautunut EGR -järjestelmä. Tämä järjestelmä tuottaa uudistettua kaasua, jolla on korkeat H₂ ja CO-pitoisuudet muuntamalla yksi sylinteri öljyrikkaaseen palamiseen. Nämä uudistavat kaasut johdetaan muiden sylinterien satamiin ja täydelliseen palamiseen SI -palamisessa [10]. 2,4 litran PFI: n luonnollisesti imeytyneellä moottorilla suoritettu SWRI D-EGR -esittelytesti osoittaa, että polttoainetalous on parantunut yli 10% moottorin käyttöalueella.
1.2 Katalyyttinen jätteen kaasun kierrätyssilmukan uudistaminen
Yksi sylintereistä toimii vähärasvaisella ilma-polttoaineella ja ottaa toissijaisen polttoaineen ruiskutustekniikan palamisen jälkeen. Tämän sylinterin pakokaasu käsitellään katalyyttipetillä ja se tuottaa vetypitoista uudistuskaasua endotermisten reaktioiden kautta. 2,0 litran GM Ecotec LNF DI -moottorin testissä, kun pyörimisnopeus saavutti 2000 rpm ja lisäysarvo oli 4 bar, vedyn saantipitoisuus 5%: lla saavutettiin. Jätekaasun kierrätyksen tilavuussuhde on nostettu alle 25%: sta yli 50%: iin. Tämän moottorin tehokkuus käyttöpisteessä on lisääntynyt 8% verrattuna vertailuarvoon.
2. Laajennussuhteen optimointi
Moottori, jolla on korkea geometrinen puristussuhde, mutta tehokas puristussuhde alhaisempi kuin efektiivinen laajenemisuhde on tehokas tapa parantaa moottorin tehokkuutta. Massatuotetuissa moottoreissa ylikuormitussyklit saavutetaan yleensä sulkemalla imuventtiilit etukäteen (EIVC) tai viivästymällä imuventtiilien sulkemista. Lyhyempi saanti-isku johtaa moottorin piirtämän puristuksen määrän vähentymiseen sykliä kohden, joten tarvitaan suuremman siirron moottori saman vääntömomentin/tehotason ylläpitämiseksi kuin ei-Atkinson/Miller -moottorit. Turboahdettujen moottoreiden osalta imu -aivohalvauksen menetys voidaan kompensoida lisäämällä lisäyspainetta. Turboahdettujen Miller -syklien moottoreilla on korkeampi laajennussuhde ja alhaisemmat pakokaasun lämpötilat, mikä vähentää siten laihan palamisen kysyntää.
Yksi haaste, joka kohdistuu EIVC- ja LIVC -strategioiden hyväksymisessä, on, että puristushalvauksen lopussa oleva turbulenssi heikentyy. Alla oleva kuvio 6 näyttää sylinterin turbulenttisen kineettisen energian (TKE) muutokset, kun EIVC- ja LIVC -strategiat hyväksytään vertailumoottoriin verrattuna. Tämä TKE: n väheneminen johtaa palamisen tehokkuuden ja palamisen epävakauden vähentymiseen. Joissakin tapauksissa verrattuna vertailumoottoriin, tämä voi jopa johtaa vähentyneeseen tehokkuuteen ja lisääntyneisiin päästöihin.
Seuraava kuva näyttää EA888: n kolmannen sukupolven B-tyyppisen moottorin (2,0 litran nelisylinterin) vaaditun suunnittelun optimointisuunnitelman edellisen sukupolven ei-millerisyklimoottorin sylinterisen turbulenssitason ylläpitämiseksi. Tämä moottori ottaa käyttöön EIVC -tekniikan Miller -syklin saavuttamiseksi, ja on välttämätöntä ylläpitää turbulenssi sylinterin ja palamisen tehokkuuden sisällä moottorin suunnittelun optimoinnin avulla.
3. Pienempi sylinterin poraussuhde
Seuraava kuva näyttää muutokset kolmessa päätekijässä, jotka määrittävät moottorin optimaalisen poraussuhteen: männänopeus, pinta -alan ja tilavuussuhteen ja painehäviöt imuventtiilin molemmilla puolilla. Optimaalinen poraushalvaussuhde määritetään seuraavien tekijöiden perusteella:
Keskimääräinen männänopeus: Mitä pidempi aivohalvaus, sitä korkeampi männän keskimääräinen nopeus rajoittaa samalla moottorin suurimman nopeuden. Olipa kyseessä turboahdettu tai luonnollisesti imetty moottorit, suurin osa niistä ei nykyään ole saavuttanut männän keskimääräisen nopeuden ylärajaa, jonka nykyinen tekniikka voi saavuttaa (noin 25 m/s).
Sisäänottoventtiilin paineen pudotusominaisuudet: moottorit, joilla on suuri poraussuhde, voivat lisätä venttiilin kokoa, muodostaen suuremman virtauskulun alueen (ts. Virtausvyöhykkeen), vähentäen siten venttiilin molemmissa päissä painepisaraa ja parantaa tilavuustehokkuutta. Suurilla nopeuksilla alhaisten porausmoottorien tilavuustehokkuus kuitenkin vähenee, mikä johtaa vääntömomentin ja tehon ennenaikaiseen vaimenemiseen moottorin nopeusalueella.
Lämmönsiirtotehokkuus: Pienempi puristussuhde (BSR) vähentää palamiskammion pinta -alan ja tilavuuden suhdetta (etenkin lähellä kuolleen palamiskeskusta), heikentäen siten palamisen lämmönsiirtovaikutusta. Puristussuhteen kasvaessa palamiskammion pinta -alan ja tilavuuden suhde kasvaa, mikä johtaa lämmönsiirtohäviöiden lisääntymiseen ja korvata joitain tehokkuuden parantamisen aiheuttamista eduista. Tämä vaikutus on erityisen merkittävä Atkinson-Miller-syklin moottorissa, joilla on erittäin korkeat geometriset puristussuhteet.
Liekin etenemisetäisyyden aiheuttama räjähdytysvastus: Pienempi sylinterin halkaisija -suhde lyhentää liekin etenemisetäisyyttä, mikä vähentää lämmön vapautumisaikaa (lisää vakiotilavuuden palamisen osuutta). Palautumisajan lyhentäminen vähentää myös räjähdytystä (terminaalikaasun aika saavuttaa itsehallinto-olosuhteet ovat lyhyempi). Tämä tekee suuremman puristussuhteen mahdolliseksi.
Turbulenssi sylinterissä ja palamisnopeudessa: Männänopeuden kasvaessa sylinterin turbulenssi lisääntyy. Kun reikä ja aivohalvaus ovat suhteellisen alhaiset, samassa pyörimisnopeudessa ja siirtymäolosuhteissa männän pyörimisnopeus on todella suurempi. Tämä tehostettu turbulenssi voi nopeuttaa palamisnopeutta ja vähentää räjähdyksen taipumusta (koska terminaalikaasun aika saavuttaa itsemääritysolosuhteet ovat lyhyempi). Tämä antaa moottorille mahdollisuuden ottaa korkeampi puristussuhde.
4. Lämpöhallinnan optimointi
Tyypillinen SI-moottori tuottaa suuren määrän lämpöä palamisen aikana, josta noin kolmasosa siirretään sylinterin seinämään ja toinen kolmasosa on menetetty jäähdytysnesteen. Keskeisiä tekniikoita lämmönsiirtohäviön vähentämiseksi ovat:
Pidätetyn vähärasvaisen seoksen lisääminen voi alentaa palamislämpötilaa vähentäen siten lämmönsiirtohäviöitä
Matalalla spesifisellä pinta -alan suhde (BSR) suunnitellut moottorit voivat tehokkaasti vähentää palamiskammion pinta -alan ja tilavuuden suhteen, minimoimalla lämmönsiirtohäviöt edelleen
Jaettu jäähdytysjärjestelmä - asettamalla sylinterilohkon ja sylinterin pään riippumattomat jäähdytyspiirit, sylinterin pään ja sylinterilohkon optimaalinen työlämpötila voidaan ylläpitää. Matalan lämpötilan sylinterin päät voivat estää koputtamisen ja tukea korkeaa puristussuhdetta. Korkean lämpötilan sylinteriseinät voivat vähentää lämmönsiirtohäviöitä ja pienentää kitkaa. Jaettu jäähdytysjärjestelmä voi myös nopeuttaa palamiskammion esilämmitystä, parantaa palamisen vakautta ja vähentää päästöjä kylmien aloitusten aikana.
Lämpöestepinnoite keraamisten pinnoitteiden (kuten YSZ ytttria-stabiloidun zirkoniumoksian) ja metallisidoskerroksen komposiitirakenteen kautta voi vähentää palamiskammion seinämän lämpötilaa 150-300 asteessa ja vähentää johdon lämpöhäviötä sylinterilohkon ja männän kautta (25-30% kokonaistenergian menetyksestä).
Yhteenveto
Seuraava luku on yhteenveto eri tekniikoiden vaikutuksesta moottorin toiminnan jokaiseen linkkiin. Vihreä osa osoittaa positiivisia vaikutuksia, kun taas punainen osa aiheuttaa negatiivisia vaikutuksia. Esimerkiksi jäähdytys EGR -tekniikka voi parantaa seoksen erityistä lämpökapasiteettia sylinterissä, vähentää lämmönsiirtohäviöitä ja parantaa siten moottorin tehokkuutta. Samanaikaisesti tällä tekniikalla on kuitenkin haitallinen vaikutus palamisvakauteen ja palamisasteeseen. Siksi yhdistämällä se korkean energian sytytysjärjestelmään ja alhaiseen porausasemoottorin suunnitteluun on enemmän etuja. Joitakin heikkoja vuorovaikutuksia ei esitetä kuviossa, kuten puristussuhteen vaikutusta (samassa sylinterisuhteessa), kuten lämmönsiirto.
