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兩張圖片向你展示當(dāng)下全球先進(jìn)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。
直噴、增壓、可變氣門、廢氣再循環(huán)等已經(jīng)成為全球發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)主流技術(shù)。同時(shí),全球先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用趨同性變化明顯。
12月1日,昆侖潤(rùn)滑油杯“中國(guó)心”年度十佳發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)選結(jié)果在上海揭曉。同期,由《汽車與運(yùn)動(dòng)evo》雜志、清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院、上海交通大學(xué)汽車工程研究院聯(lián)合主辦,中國(guó)石油潤(rùn)滑油公司鼎力支持的第二屆中國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)大會(huì)成功舉辦。
技術(shù)大會(huì)上,清華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、“中國(guó)心”十佳發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)審專家評(píng)審委員會(huì)主任王建昕帶來(lái)了引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注的《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)核心技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)》報(bào)告,對(duì)全球發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用變化趨勢(shì)進(jìn)行梳理和點(diǎn)評(píng)。
看全球關(guān)鍵技術(shù)趨勢(shì)
1、汽油直噴(GDI)成主流
汽油缸內(nèi)直噴(GDI)使噴油控制更靈活,有利于提高壓縮比和實(shí)現(xiàn)稀燃,技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。
噴油器側(cè)置GDI已得到普遍應(yīng)用,大眾等歐洲公司引導(dǎo)了該技術(shù)發(fā)展潮流,繼而美國(guó),近幾年日本也大量采用,中國(guó)近年來(lái)已有多款自主開(kāi)發(fā)的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)量產(chǎn)。
歐美日三大板塊新車中的GDI汽油機(jī)占比快速提高,2015年是2009年的3-4倍,尤其歐洲占比已達(dá)75%,中國(guó)在2015年GDI占比也超過(guò)25%。
2、中置噴油器在歐洲大量應(yīng)用
歐洲中置GDI技術(shù)應(yīng)用情況
噴油器中置GDI系統(tǒng),具有改善爆震、降低碳煙和機(jī)油稀釋等優(yōu)勢(shì),但也存在噴嘴安裝空間緊張,容易積碳導(dǎo)致耐久性不好,比側(cè)置GDI設(shè)計(jì)制造難度更大等問(wèn)題。
2010年戴姆勒公司開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化,2014年歐洲新開(kāi)發(fā)的汽油機(jī)全部為中置GDI,目前美國(guó)和日本尚未使用。
3、GDI+PFI雙噴油系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)先
GDI+PFI的雙噴系統(tǒng),兼有兩者的優(yōu)點(diǎn),在不同工作條件下切換使用,PFI噴射主要用于冷啟動(dòng)和中小負(fù)荷,GDI主要用于中高負(fù)荷及要求多次噴射的工況。
雙噴系統(tǒng)具有組織燃燒更靈活、控制爆震、抑制冷啟動(dòng)時(shí)的碳煙排放等優(yōu)勢(shì),而成本增加不多。
目前采用雙噴射系統(tǒng)的有豐田公司和奧迪公司。
4、基于直噴+增壓的汽油機(jī)小排量化發(fā)展
以直噴+增壓為核心內(nèi)容的小排量化(Down Sizing)顯著提高了汽油機(jī)的熱效率和動(dòng)力性,升功率超過(guò)100kW,升轉(zhuǎn)矩超過(guò)200Nm的汽油機(jī)已不鮮見(jiàn)。
2015年,歐美日新開(kāi)發(fā)汽油機(jī)中采用【GDI+T】 技術(shù)占比為75%~100%。
2015年,日本新開(kāi)發(fā)的7款發(fā)動(dòng)機(jī)中6款是【GDI+T】(另一款是HEV專用發(fā)動(dòng)機(jī)),表明日本的思路在近兩年中有重大變化,也跟進(jìn)了小排量化潮流。
5、提高壓縮比
國(guó)際上已有多家公司實(shí)現(xiàn)高壓縮比:非增壓12-13,增壓≥10.5。
提高壓縮比和增壓小排量,都使燃燒室內(nèi)的能量密度成倍增高,導(dǎo)致“超級(jí)爆震”發(fā)生,其機(jī)理尚未完全搞清。這也是當(dāng)今小排量汽油機(jī)研發(fā)難點(diǎn)。
清華大學(xué)研究表明,超級(jí)爆震現(xiàn)象有可能由“敲缸”進(jìn)入了“爆震燃燒”,即“Knocking”變?yōu)?ldquo;Detonation”。
6、高滾流比及高速燃燒的應(yīng)用
提高進(jìn)氣滾流強(qiáng)度可以加速宏觀的油氣混合,并在壓縮終了轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)湍流,以加速火焰?zhèn)鞑ァ?/p>
高速燃燒在抵消稀燃和EGR等帶來(lái)的燃燒不穩(wěn)定問(wèn)題同時(shí),可提高燃燒效率和熱功轉(zhuǎn)換效率。
7、米勒/阿特金森循環(huán)日企應(yīng)用廣泛
米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)的原理相似,都是以膨脹比大于壓縮比的原理來(lái)提高指示熱效率。
最先由豐田公司和本田公司用于混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī),后在日本普通汽油車上也開(kāi)始使用。
2014年日本新開(kāi)發(fā)的10款發(fā)動(dòng)機(jī)(非HEV)中有6款用阿特金森循環(huán)技術(shù),歐美尚未見(jiàn)使用。
8、自動(dòng)啟停技術(shù)(Start-Stop)全面普及
啟停技術(shù),即汽車停駛和怠速時(shí)停止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),汽車起步時(shí)快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。
啟停技術(shù)的節(jié)油效果一般在5%左右。
9、EGR廢氣再循環(huán)大量應(yīng)用
EGR系統(tǒng)
EGR原本是用于減低NOx排放,但在汽油機(jī)上使用可降低泵氣損失,進(jìn)而改善中低負(fù)荷油耗,冷卻EGR還兼有中高負(fù)荷控制爆震和降低排溫的作用。
2014年,日本新生產(chǎn)的10款車用汽油機(jī)中有6款采用了冷卻EGR技術(shù)。
10、稀釋稀燃可降低發(fā)動(dòng)機(jī)中小負(fù)荷油耗
清華大學(xué)在2010年提出了稀釋稀燃=空氣稀燃+廢氣稀釋的思路,Lean Dilution Combustion,綜合一代和二代GDI優(yōu)點(diǎn)。
具有三種效果:體積稀釋、密度稀釋、活性稀釋。
試驗(yàn)證明可以改善油耗7%~8%,同時(shí)降低NOx排放。
如果有更好的GDI發(fā)動(dòng)機(jī)、更強(qiáng)的點(diǎn)火系統(tǒng),稀燃范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大,節(jié)油效果會(huì)更好。
11、基于低溫壓燃的高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)路線
沿用“火花點(diǎn)火,火焰?zhèn)鞑?rdquo;燃燒方式,汽油機(jī)要實(shí)現(xiàn)50%的熱效率有很大難度。
“均質(zhì)壓燃HCCI”可使汽油機(jī)熱效率大幅提高,在進(jìn)行了十幾年的基礎(chǔ)研究后,目前面向產(chǎn)業(yè)化的研究仍在進(jìn)行中。
中國(guó)研究者在第三期973計(jì)劃研究中,從燃料與燃燒融合入手,走“低溫壓燃”技術(shù)路線,以期實(shí)現(xiàn)高效低排放內(nèi)燃機(jī)目標(biāo)。
12、可變機(jī)油泵和冷卻水泵
電控水泵和電控機(jī)油泵可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況合理改變其壓力或流量,降低附件耗功,提高機(jī)械效率,可分別降低整車油耗1%~1.5%。
近幾年來(lái),電控水泵和機(jī)油泵的應(yīng)用明顯加快,從2013年僅在歐洲2個(gè)公司的產(chǎn)品上應(yīng)用,到2014年發(fā)展到歐美日共6家公司應(yīng)用,其中3家公司同時(shí)采用電控水泵和電控機(jī)油泵。
未來(lái)30年內(nèi)燃機(jī)仍是汽車的最主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng),車用汽油機(jī)的熱效率有可能在2020年左右達(dá)到50%,而柴油機(jī)將會(huì)更高,內(nèi)燃機(jī)在節(jié)能減排方面將更具優(yōu)勢(shì)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)作為先進(jìn)制造業(yè)的代表,技術(shù)含金量非常高,它是體現(xiàn)綜合競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)志性產(chǎn)業(yè),將是我國(guó)制造業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)型升級(jí)、由大變強(qiáng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。
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