Kandungan artikel ini berdasarkan laporan penilaian teknikal yang disiapkan oleh Roush Industries bagi pihak CAELP pada tahun 2021. Ia secara sistematik menyusun laluan teknikal untuk enjin petrol yang cekap pada tahun 2025 dan seterusnya, mendedahkan teknologi utama untuk meningkatkan kecekapan terma dan mengurangkan pelepasan. Kebanyakan penyelesaian teknikal ini telah dilaksanakan di pasaran semasa.
1. Teknologi Pencairan Gas Campuran
Nilai nisbah haba tertentu meningkat melalui EGR atau pencairan udara, dengan itu meningkatkan jumlah kerja yang dipindahkan oleh omboh semasa strok pengembangan. Angka berikut menunjukkan pengaruh nisbah mampatan (CR) dan nilai 𝛾 pada kecekapan penukaran bahan api kitaran isipadu malar. Nilai 𝛾 campuran udara adalah kira -kira 1.4, manakala nilai produk pembakaran (karbon dioksida dan wap air) lebih rendah, hampir 1.3. Nilai 𝛾 campuran dalam silinder yang dicairkan dengan udara lebih tinggi berbanding dengan campuran yang dicairkan oleh penyejukan gas ekzos (CEGR). Ini menjadikan enjin dengan pembakaran kurus (pencairan udara) lebih cekap di bawah pencairan setara yang sama (iaitu nisbah bahan api kepada campuran gas bukan bahan bakar dalam silinder).
1. Teknologi Pencairan Gas Campuran
Nilai nisbah haba tertentu meningkat melalui EGR atau pencairan udara, dengan itu meningkatkan jumlah kerja yang dipindahkan oleh omboh semasa strok pengembangan. Angka berikut menunjukkan pengaruh nisbah mampatan (CR) dan nilai 𝛾 pada kecekapan penukaran bahan api kitaran isipadu malar. Nilai 𝛾 campuran udara adalah kira -kira 1.4, manakala nilai produk pembakaran (karbon dioksida dan wap air) lebih rendah, hampir 1.3. Nilai 𝛾 campuran dalam silinder yang dicairkan dengan udara lebih tinggi berbanding dengan campuran yang dicairkan oleh penyejukan gas ekzos (CEGR). Ini menjadikan enjin dengan pembakaran kurus (pencairan udara) lebih cekap di bawah pencairan setara yang sama (iaitu nisbah bahan api kepada campuran gas bukan bahan bakar dalam silinder).
1.1 Pembaharuan dalam silinder khas bukan katalitik (D-EGR)
Sistem EGR yang berdedikasi yang dibangunkan oleh Institut Penyelidikan Southwest (SWRI). Sistem ini menghasilkan gas yang diperbaharui dengan kepekatan tinggi H₂ dan CO dengan menukar satu silinder ke mod pembakaran yang kaya dengan minyak. Gas pembaharuan ini diperkenalkan ke dalam pelabuhan pengambilan silinder lain dan pembakaran lengkap dalam pembakaran SI [10]. Ujian demonstrasi SWRI D-EGR yang dijalankan pada enjin PFI 2.4 liter secara semulajadi menunjukkan bahawa ekonomi bahan api telah meningkat lebih daripada 10% sepanjang julat operasi enjin.
1.2 Pembaharuan gelung sisa gas sisa pemangkin
Salah satu silinder beroperasi pada nisbah bahan bakar udara tanpa lemak dan mengamalkan teknologi suntikan bahan api menengah selepas pembakaran. Gas ekzos dari silinder ini dirawat oleh katil pemangkin dan menghasilkan gas pembaharuan kaya hidrogen melalui tindak balas endotermik. Dalam ujian enjin GM ECOTEC LNF di 2.0 liter, apabila kelajuan putaran mencapai 2000 rpm dan nilai rangsangan adalah 4 bar, kepekatan pengambilan hidrogen sebanyak 5% telah dicapai. Nisbah volum pengiraan gas sisa telah dinaikkan dari kurang daripada 25% hingga lebih 50%. Kecekapan enjin ini di titik operasi telah meningkat sebanyak 8% berbanding dengan nilai penanda aras.
2. Pengoptimuman nisbah pengembangan
Enjin dengan nisbah mampatan geometri yang tinggi tetapi nisbah mampatan yang berkesan lebih rendah daripada nisbah pengembangan yang berkesan adalah cara yang berkesan untuk meningkatkan kecekapan enjin. Dalam enjin yang dihasilkan secara massal, kitaran pengembangan lebih biasanya dicapai dengan menutup injap pengambilan terlebih dahulu (EIVC) atau melambatkan penutupan injap pengambilan. Strok pengambilan yang lebih pendek membawa kepada pengurangan jumlah mampatan yang dikeluarkan oleh enjin per kitaran, jadi enjin yang lebih besar displacement diperlukan untuk mengekalkan tahap tork/kuasa yang sama seperti enjin bukan Atkinson/Miller. Bagi enjin turbocharged, kehilangan jumlah strok pengambilan boleh diberi pampasan dengan meningkatkan tekanan rangsangan. Enjin dengan kitaran pengilang turbocharged mempunyai nisbah pengembangan yang lebih tinggi dan suhu ekzos yang lebih rendah, dengan itu mengurangkan permintaan untuk pembakaran ramping.
Satu cabaran yang dihadapi ketika mengadopsi strategi EIVC dan LIVC adalah bahawa pergolakan pada akhir strok mampatan akan melemahkan. Rajah 6 di bawah menunjukkan perubahan dalam tenaga kinetik bergelora (TKE) dalam silinder apabila strategi EIVC dan LIVC diterima pakai berbanding enjin rujukan. Pengurangan TKE ini akan membawa kepada penurunan kecekapan pembakaran dan ketidakstabilan pembakaran. Dalam sesetengah kes, berbanding dengan enjin penanda aras, ini mungkin membawa kepada kecekapan yang dikurangkan dan peningkatan pelepasan.
Angka berikut menunjukkan pelan pengoptimuman reka bentuk yang diperlukan untuk enjin B-Jenis B-generasi ketiga (2.0 liter empat silinder) untuk mengekalkan tahap pergolakan dalam silinder enjin kitaran bukan penggerak generasi sebelumnya. Enjin ini menggunakan teknologi EIVC untuk mencapai kitaran Miller, dan perlu mengekalkan pergolakan di dalam kecekapan silinder dan pembakaran melalui pengoptimuman reka bentuk enjin.
3. Silinder yang lebih kecil menanggung nisbah strok
Angka berikut menunjukkan perubahan dalam tiga faktor utama yang menentukan nisbah strok yang optimum dari enjin: kelajuan omboh, kawasan permukaan ke nisbah kelantangan, dan penurunan tekanan pada kedua -dua belah injap pengambilan. Nisbah strok yang optimum ditentukan oleh faktor -faktor berikut:
Kelajuan omboh purata: Semakin lama strok, semakin tinggi kelajuan omboh purata, sambil mengehadkan kelajuan enjin maksimum. Sama ada enjin turbocharged atau semulajadi, kebanyakannya pada masa kini belum mencapai had atas kelajuan omboh purata yang dapat dicapai oleh teknologi semasa (kira -kira 25 m/s).
Ciri -ciri penurunan tekanan injap Injap: Enjin dengan reka bentuk nisbah yang besar dapat meningkatkan saiz injap, membentuk kawasan laluan aliran yang lebih besar (iaitu zon aliran), dengan itu mengurangkan penurunan tekanan pada kedua -dua hujung injap dan meningkatkan kecekapan volumetrik. Walau bagaimanapun, pada kelajuan tinggi, kecekapan volumetrik enjin nisbah yang rendah akan menurun, mengakibatkan pelemahan tork dan kuasa pramatang dalam julat kelajuan enjin.
Kecekapan pemindahan haba: Nisbah mampatan yang lebih rendah (BSR) akan mengurangkan kawasan permukaan ke nisbah kelantangan kebuk pembakaran (terutamanya berhampiran pusat pembakaran atas mati), dengan itu melemahkan kesan pemindahan haba pembakaran. Apabila nisbah mampatan meningkat, kawasan permukaan ke nisbah jumlah kebuk pembakaran tumbuh, yang membawa kepada peningkatan kerugian pemindahan haba dan mengimbangi beberapa kelebihan yang dibawa oleh peningkatan kecekapan. Kesan ini amat penting dalam enjin kitaran Atkinson-Miller dengan nisbah mampatan geometri yang sangat tinggi.
Rintangan detonasi yang disebabkan oleh jarak penyebaran api: Nisbah diameter silinder yang lebih kecil akan memendekkan jarak penyebaran api, dengan itu mengurangkan masa pelepasan haba (meningkatkan perkadaran pembakaran isipadu malar). Pemendekan masa pembakaran juga akan mengurangkan letupan (masa untuk gas terminal untuk mencapai keadaan penghunian diri adalah lebih pendek). Ini menjadikan nisbah mampatan yang lebih tinggi mungkin.
Turbulensi dalam silinder dan kadar pembakaran: Apabila kelajuan omboh meningkat, pergolakan dalam silinder semakin meningkat. Apabila bore dan stroke agak rendah, di bawah kelajuan putaran dan keadaan anjakan yang sama, kelajuan putaran omboh sebenarnya lebih tinggi. Turbulensi yang dipertingkatkan ini dapat mempercepatkan kadar pembakaran dan mengurangkan kecenderungan letupan (sebagai masa untuk gas terminal untuk mencapai keadaan penghunian diri adalah lebih pendek). Ini membolehkan enjin mengamalkan nisbah mampatan yang lebih tinggi.
4. Pengoptimuman Pengurusan Thermal
Enjin SI biasa menghasilkan sejumlah besar haba semasa pembakaran, di mana kira-kira satu pertiga dipindahkan ke dinding silinder dan satu pertiga lain hilang kepada penyejuk. Teknologi utama untuk mengurangkan kehilangan pemindahan haba termasuk:
Meningkatkan campuran ramping yang ditahan dapat menurunkan suhu pembakaran, dengan itu mengurangkan kerugian pemindahan haba
Enjin yang direka dengan nisbah kawasan permukaan spesifik yang rendah (BSR) secara berkesan dapat mengurangkan kawasan permukaan ke nisbah kelantangan ruang pembakaran, lagi meminimumkan kerugian pemindahan haba
Sistem Penyejukan Split - Dengan menubuhkan litar penyejukan bebas untuk blok silinder dan kepala silinder, suhu kerja optimum kepala silinder dan blok silinder boleh dikekalkan. Kepala silinder suhu rendah boleh menghalang operasi nisbah mampatan yang tinggi. Dinding silinder suhu tinggi boleh mengurangkan kerugian pemindahan haba dan geseran yang lebih rendah. Sistem penyejukan berpecah juga boleh mempercepatkan pemanasan ruang pembakaran, meningkatkan kestabilan pembakaran dan mengurangkan pelepasan semasa permulaan sejuk.
Lapisan penghalang terma, melalui struktur komposit salutan seramik (seperti zirkonia yang stabil YSZ YTTRIA) dan lapisan ikatan logam, dapat mengurangkan suhu dinding ruang pembakaran sebanyak 150-300 darjah dan mengurangkan kehilangan pemanasan melalui blok silinder dan piston (perakaunan untuk 25-30% untuk 25-30% untuk 25-30% daripada 25-30
Ringkasan
Angka berikut meringkaskan pengaruh teknologi yang berbeza pada setiap pautan operasi enjin. Bahagian hijau menunjukkan kesan positif, sementara bahagian merah memberikan kesan negatif. Sebagai contoh, teknologi EGR penyejukan dapat meningkatkan kapasiti haba spesifik campuran dalam silinder, mengurangkan kerugian pemindahan haba dan dengan itu meningkatkan kecekapan enjin. Walau bagaimanapun, pada masa yang sama, teknologi ini akan memberi kesan buruk terhadap kestabilan pembakaran dan kadar pembakaran. Oleh itu, menggabungkannya dengan sistem pencucuhan tenaga tinggi dan reka bentuk enjin nisbah yang rendah akan mempunyai lebih banyak kelebihan. Sesetengah interaksi lemah tidak ditunjukkan dalam angka, seperti pengaruh nisbah mampatan (di bawah nisbah silinder yang sama dengan nisbah) pada parameter seperti pemindahan haba.
