車用汽油機(jī)的新技術(shù)

車用汽油機(jī)的新技術(shù)

美國(guó)能源部發(fā)布的《2005年國(guó)際能源前景》顯示了未來(lái)20年國(guó)際能源分析的預(yù)測(cè)，全球能源消費(fèi)將從2002年的148.2.109噸標(biāo)準(zhǔn)偏差向2025年的232.1.109噸標(biāo)準(zhǔn)偏差中增加2.0%。報(bào)告指出,到2025年全球經(jīng)濟(jì)總量將增加一倍,帶動(dòng)全球能源消費(fèi)增長(zhǎng)57%。在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,石油、天然氣和煤炭等化石能源依然占主要地位,其中石油在交通和工業(yè)終端用能上繼續(xù)保持統(tǒng)治地位。由于國(guó)家政策限制與減少化石能源消費(fèi)引起的環(huán)境污染,鼓勵(lì)使用替代能源,非化石能源消費(fèi)增長(zhǎng)比較快,但消費(fèi)量不會(huì)超過化石能源。預(yù)計(jì)全球石油消費(fèi)將從2002年的39.3×109t增加到2015年的51.9×109t,2025年為59.9×109t。在2010年前,預(yù)計(jì)中國(guó)石油消費(fèi)年均增長(zhǎng)7.5%,2010年至2025年增長(zhǎng)率為2.9%。報(bào)告預(yù)計(jì)全球CO2排放量將從2002年的244×109t增加到2010年的302×109t,2025年增加到388×109t。發(fā)展中國(guó)家對(duì)化石能源的消費(fèi)快速增長(zhǎng),其CO2排放量的增長(zhǎng)占全球增長(zhǎng)的68%。在能源消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)的狀況下,能源形勢(shì)將十分緊張;而大量的能源消費(fèi),大大增加了CO2等溫室氣體的排放,造成了一系列的環(huán)境問題。1近年來(lái)，關(guān)于提高能源效率的研究在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域,如何提高燃料的能量利用率,以達(dá)到節(jié)能的目的是研究的一大熱點(diǎn)。1.1內(nèi)部控制單元的改進(jìn)1.1.1燃燒及燃油發(fā)動(dòng)機(jī)1996年,三菱公司便開發(fā)出GDI49G93發(fā)動(dòng)機(jī);之后,法國(guó)雷諾、日本豐田、德國(guó)大眾等公司也相繼研發(fā)和投產(chǎn)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)現(xiàn)GDI的關(guān)鍵在于產(chǎn)生與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)不同的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng),使噴入氣缸的汽油與空氣形成一種多層次的旋轉(zhuǎn)渦流。因此,GDI采用了立式吸氣口、彎曲頂面活塞和高壓旋轉(zhuǎn)噴射器等3種技術(shù)手段。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)車輛負(fù)荷選擇不同的燃燒模式。在中小負(fù)荷區(qū)域采用分層稀燃,活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)附近即壓縮行程末期噴油;通過對(duì)活塞頂部的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)壁面引導(dǎo)噴射,在火花塞周圍形成較濃的可燃混合氣,與外部空氣形成分層,以實(shí)現(xiàn)中小負(fù)荷下的分層稀燃?？傮w空燃比可以到達(dá)25~50,足夠的過量空氣可在短時(shí)間內(nèi)燃盡未燃碳?xì)?有利于降低冷起動(dòng)時(shí)的HC和CO排放。GDI發(fā)動(dòng)機(jī)在理論上不需要節(jié)氣門,在低負(fù)荷下采用變質(zhì)調(diào)節(jié)來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,無(wú)泵氣損失。另外,由于稀燃技術(shù)的運(yùn)用,過量空氣有利于降低氣缸壁溫度,從而減小了熱損失,在很大程度上改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。在高負(fù)荷區(qū)域,為了使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更好的動(dòng)力性,噴油量必須控制在理論空燃比附近。在進(jìn)氣行程早期噴油,以便在點(diǎn)火時(shí)形成均勻混合氣。早噴射的燃油蒸發(fā)吸熱,使進(jìn)氣終點(diǎn)充量溫度下降,有利于充量系數(shù)的提高,壓縮比可提高到11~12。另外,溫度的降低也有利于抑制爆震的發(fā)生。由以上分析可以看出,GDI發(fā)動(dòng)機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn):·發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性可提高20%;·瞬態(tài)工況改善,可降低對(duì)加速加濃的要求;·能快速起動(dòng)(一般1個(gè)~2個(gè)循環(huán)),對(duì)起動(dòng)加濃的要求降低;·冷起動(dòng)時(shí)HC和CO排放降低。同時(shí),GDI發(fā)動(dòng)機(jī)也存在一些問題有待解決:·在富O2條件下實(shí)現(xiàn)NOx的還原很困難;·在壁面混合氣過濃,產(chǎn)生碳煙、CO和HC;·中負(fù)荷運(yùn)行時(shí)碳煙、CO和HC排放增多;·在負(fù)荷增大時(shí),加大噴油提前角,活塞的引導(dǎo)作用消失,不能實(shí)現(xiàn)分層充氣;·高轉(zhuǎn)速時(shí)工作不適應(yīng);·活塞頂部面容比大,傳熱損失大;·活塞質(zhì)量大。1.1.2hcci發(fā)動(dòng)機(jī)第4代發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的HCCI技術(shù)最早由美國(guó)西南研究所提出,是一種全新的燃燒理念。與預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒相比,HCCI燃燒方式因其均質(zhì)壓燃的特性,燃燒速度取決于燃料的化學(xué)特性,一般具有很高的燃燒放熱速率,放熱率接近奧托(Otto)循環(huán);由于燃燒速率快,減小了熱損失,循環(huán)熱效率很高。相對(duì)于傳統(tǒng)汽油機(jī),HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)節(jié)流閥,無(wú)泵氣損失;熱損失小;采用稀燃的燃燒方式;壓縮比較高。這些都有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于HCCI的均質(zhì)混合氣較稀,且火焰在多處起燃,燃燒速率快,火焰溫度低,有利于控制NOx的生成;由于采用預(yù)混燃燒,且燃燒速率很快,使氣缸內(nèi)局部濃混合區(qū)域減少,有利于抑制PM排放。但是HCCI也存在許多問題,其中最主要的是其可以調(diào)節(jié)的范圍很窄,因此,在車用發(fā)動(dòng)機(jī)中一般不考慮使用完全意義的HCCI發(fā)動(dòng)機(jī),而替代以HCCI-DI或HCCI-SI兩種燃燒方式相結(jié)合的方法,即在中小負(fù)荷時(shí)用HCCI燃燒方式,在全負(fù)荷時(shí)改用傳統(tǒng)的壓燃或點(diǎn)燃的燃燒方式。另外,HCCI燃燒方式很難控制著火點(diǎn)和燃燒率隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化。1.2發(fā)動(dòng)機(jī)電控方面將成熟的汽油機(jī)技術(shù)與電動(dòng)機(jī)技術(shù)結(jié)合,形成汽油機(jī)與電動(dòng)機(jī)的組合,作為現(xiàn)代轎車的動(dòng)力裝置,這是當(dāng)代汽車工業(yè)為保護(hù)大氣環(huán)境及提高能源利用的重大技術(shù)措施?；旌蟿?dòng)力汽車主要采取兩方面的措施來(lái)節(jié)能,一是減小發(fā)動(dòng)機(jī)排量,并保證其在最佳工況下運(yùn)行,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)在變工況下的燃油消耗率;二是通過發(fā)電回收減速和制動(dòng)能量,以降低整車的能耗。以豐田公司的普瑞斯(PRIUS)混合動(dòng)力汽車為例,該車采用了THS混合動(dòng)力系統(tǒng),在起步和輕負(fù)荷時(shí),可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)與否進(jìn)行燃油切斷,利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛;在正常行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)分兩路輸出,其一直接驅(qū)動(dòng)車輪,其二驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電并用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),從而增加車輪的驅(qū)動(dòng)力;由微機(jī)控制這兩條動(dòng)力輸出路徑的關(guān)系,使之達(dá)到最優(yōu)效率。加速時(shí),蓄電池輸出電流以增加車輪的驅(qū)動(dòng)力;減速與制動(dòng)時(shí),車輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),這時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)再生發(fā)電,利用這一過程回收車輛的動(dòng)能儲(chǔ)存在蓄電池中。在車輛停止時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)也自動(dòng)停止,不會(huì)因怠速而浪費(fèi)燃油,也無(wú)CO2的排放。與一般汽車相比,該車燃油經(jīng)濟(jì)性提高一倍,CO2排放大大降低;由于能量的回收和優(yōu)化利用,發(fā)動(dòng)機(jī)效率也可以提高一倍左右。由于GDI發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和混合動(dòng)力汽車技術(shù)都已經(jīng)相對(duì)成熟,利用以上技術(shù)大幅度提高能量利用率的空間已經(jīng)十分有限。要進(jìn)一步提高燃油能量利用率,必須從其他方面著手。2冷卻水及尾氣冷卻目前,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒岙?dāng)量占燃料燃燒發(fā)熱量(輸入熱量)的30%~40%,冷卻水散熱占20%~25%,尾氣散熱占40%~45%;也就是說(shuō),只利用了燃料化學(xué)能的1/3左右,另外2/3左右的能量則通過發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水散熱和高溫尾氣排熱而損失掉了,如果能將這兩部分熱量加以利用,必然會(huì)在很大程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。2.1半導(dǎo)體時(shí)差發(fā)電溫差發(fā)電是利用了半導(dǎo)體材料的溫差電效應(yīng)。以N型半導(dǎo)體為例,熱端電子由于溫度較高而獲得較大的能量,運(yùn)動(dòng)較冷端劇烈;同時(shí),高的溫度也有利于原子的電離。因此,無(wú)論是電子濃度還是電子運(yùn)動(dòng)程度熱端都要高于冷端。根據(jù)菲克定律,電子會(huì)由熱端向冷端擴(kuò)散,這樣在冷端將會(huì)產(chǎn)生電子的積累而在半導(dǎo)體內(nèi)部形成電場(chǎng);當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度與電子熱運(yùn)動(dòng)平衡時(shí),在N型半導(dǎo)體內(nèi)形成穩(wěn)定的電勢(shì)差。P型半導(dǎo)體溫差發(fā)電的原理與之相同。因此,可以利用高溫尾氣與環(huán)境溫度之間的溫度差,通過半導(dǎo)體的溫差電效應(yīng)發(fā)出電功驅(qū)動(dòng)用電器,達(dá)到回收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣能量的目的。對(duì)解放CA141汽車排氣余熱的溫差研究結(jié)果表明,用960個(gè)半導(dǎo)體碲化鉛溫差電器件并聯(lián)成8行,熱端溫度500℃,冷端溫度100℃時(shí),汽車排氣能量可發(fā)出350W的電功率,可替代原有的交流發(fā)電裝置。但利用排氣溫差發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率很低,實(shí)際熱電轉(zhuǎn)換效率在2.12%左右,最高也只有10%左右。因此,如何找到更優(yōu)質(zhì)的半導(dǎo)體材料,提高熱電轉(zhuǎn)換效率,是目前的一個(gè)主要研究課題。2.2吸收式制冷系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱可以用來(lái)取暖或者用來(lái)進(jìn)行吸收式制冷,但這只是在一些需要的場(chǎng)合才使用,余熱的利用量非常有限。余熱式采暖系統(tǒng)是通過在車廂內(nèi)布置采暖加熱盤管和新風(fēng)加熱盤管分別加熱車廂內(nèi)的循環(huán)空氣及新鮮空氣,以提高車廂空氣溫度和舒適性。其運(yùn)行成本低,經(jīng)濟(jì)性好,加工簡(jiǎn)單,使用方便。但是,這種系統(tǒng)無(wú)法在發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作的時(shí)候使用,且在高寒地區(qū)使用時(shí)對(duì)換熱元件要求較高。吸收式制冷通過吸附使制冷劑蒸發(fā)吸熱,從而達(dá)到制冷效果。吸收式制冷對(duì)環(huán)境無(wú)污染,但其制冷功率小,系統(tǒng)笨重,廢熱利用率不高。2.3后接蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置的研究德國(guó)寶馬公司最近開發(fā)出了汽油機(jī)內(nèi)置蒸氣機(jī)構(gòu)“TurboSteamer”(見圖1),在寶馬3系列汽車使用的1.8L4缸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上,試制了增加蒸氣機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)。研究結(jié)果表明,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率、輸出功率及扭矩分別提高了15%,10kW和20N·m。目前,這項(xiàng)研究已進(jìn)展到縮小系統(tǒng)尺寸、簡(jiǎn)化部件等方面的工作。寶馬公司預(yù)計(jì)在10年內(nèi)將這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到實(shí)用水平。在“TurboSteamer”系統(tǒng)中,采用了高溫和低溫兩個(gè)做功循環(huán),工質(zhì)分別是水和乙醇。在高溫循環(huán)中,工質(zhì)先通過蒸氣發(fā)生器加熱達(dá)到飽和狀態(tài),再通過過熱器達(dá)到過熱狀態(tài),從而具有較高的做功參數(shù),再通過高溫膨脹器實(shí)現(xiàn)做功輸出,做功后乏氣通過高溫冷凝器將熱量傳給低溫循環(huán),并實(shí)現(xiàn)自身的冷凝,冷凝后的液體工質(zhì)再通過泵返回蒸氣發(fā)生器,從而完成了一個(gè)高溫循環(huán)。低溫循環(huán)的做功原理與高溫循環(huán)相同。在兩個(gè)循環(huán)中,不僅有各循環(huán)工質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣之間的熱交換,還通過蒸氣發(fā)生器及蒸氣發(fā)生器/高溫冷凝器實(shí)現(xiàn)了低溫循環(huán)與冷卻水、低溫循環(huán)與高溫循環(huán)間的熱交換,有效地提高了排氣余熱的利用率。以寶馬公司的“TurboSteamer”系統(tǒng)作參考,設(shè)計(jì)了圖2所示的后接蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力較低,溫度較高,直接膨脹做功的能量利用效果較差。為充分利用其溫度高的特點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣通過換熱裝置E(余熱鍋爐)加熱低溫工質(zhì),使其達(dá)到過熱蒸氣狀態(tài),再通過膨脹機(jī)構(gòu)T膨脹做功,做功終了的乏氣通過冷凝器C和泵P再次進(jìn)入換熱器E,從而完成一個(gè)工作循環(huán)。在后接蒸氣動(dòng)力裝置中,利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣余熱使工質(zhì)完成一個(gè)蒸氣動(dòng)力循環(huán),得到一部分額外的功,再與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功合并輸出,達(dá)到回收尾氣能量的目的。研究適合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用的微型蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置,先要測(cè)試車載發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況和運(yùn)行狀態(tài)下冷卻水和排氣的溫度及壓力等特性參數(shù),確定后接蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置的工作條件;在此基礎(chǔ)上,提出微型中、低溫(發(fā)動(dòng)機(jī)排溫為300℃~850℃)余熱利用蒸氣動(dòng)力循環(huán)的系統(tǒng)構(gòu)型并進(jìn)行詳細(xì)的熱力學(xué)分析;對(duì)循環(huán)系統(tǒng)中的主要部件進(jìn)行研究和設(shè)計(jì),建立微型蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置試驗(yàn)系統(tǒng)并開展試驗(yàn)研究。后接蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置與汽油機(jī)組成的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比較復(fù)雜,需要研究的內(nèi)容很多,主要有以下5個(gè)方面:a)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱和排氣余熱特性參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的變化規(guī)律;b)后接蒸氣動(dòng)力循環(huán)構(gòu)型和熱力過程、工質(zhì)熱力性質(zhì)參數(shù)等基礎(chǔ)問題;c)建立微型蒸氣動(dòng)力循環(huán)裝置試驗(yàn)系統(tǒng);d)與具體車載汽油機(jī)相適應(yīng)的原型蒸氣動(dòng)力裝置;e)蒸氣動(dòng)力裝置與汽油機(jī)的優(yōu)化匹配及整個(gè)系統(tǒng)的電控管理。在發(fā)動(dòng)機(jī)后加裝一套蒸氣動(dòng)力裝置,成本肯定會(huì)有所提高,但由于目前油價(jià)已處高位,且還在不斷上漲,這個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期收益一定會(huì)高于成本的增加,在經(jīng)濟(jì)上是有實(shí)際意義的。3后接蒸氣動(dòng)力循環(huán)余