梦已成真!中国汽油机热效率已达40%!

大浙江网 2019-03-02

近几年内燃机收到了新能源技术很大的冲击,新能源打着节能减排的口号让内燃机望尘莫及,内燃机进一步提升热效率成为传统动力最迫在眉之事。尤其是汽油机油耗大、热效率低一直是主要的矛盾所在,汽油机热效率基本在35%左右徘徊,进一步提升感觉困难重重,成本增加较大,什么直喷技术、高压喷射、VVL等等,这些新技术应用毕竟带来成本大幅度上升,让汽油机成本优势慢慢变弱,不是最佳解决之路。

随着马自达创驰蓝天技术的应用、丰田和本田高效发动机技术的量产,发动机热效率40%已成为可能,新的内燃机循环也开始被应用,在中国,我们团队开发的40%热效率发动机也成功完成试验,最低油耗210g/Kw.h,常用大范围高效油耗区可以做到220g/kW.h,最高热效率达到40%,中国汽油机40%热效率已拉开序幕。

40%真的很难?做出来了也就不难了。主要关注的两大方面问题,第一:国内缺乏支撑40%热效率发动机的电控平台;第二:国内缺失某些支撑40%热效率关键零部件,例如电控VVT。40%热效率设计开发难度已经被突破,下面我就聊聊如何来做到内燃机40%的热效率的。

首先,先上结果,让大家先看看效果。种发动机油耗测试map,第一款是2.0L汽油机(左),第二款是1.8L汽油机(右)。蓝星点为热效率40%。


梦已成真!中国汽油机热效率已达40%!


没错,这两款发动机就是国内开发的,实际测试出的油耗结果,基本达到了目前日本高效发动机水平,我们是如何做到的呢,采用了相应的高效技术,包括阿特金森循环、高压缩比、外部中冷EGR、高滚流气道、高效燃烧室、大范围VVT、降摩擦技术等,下面给大家分别展示一下。

1. 阿特金森循环技术

阿特金森循环大家并不陌生,而且这个概念在很久以前就被提出,历史性基本等同奥托循环,阿特金森循环解释说法很多,目前所属的阿特金森循环也与以前定义截然不同,目前所说的阿特金森更接近于后米勒,目前使用的阿特金森没有以前定义的机械结构,就是通过进气门晚关,实现进气回流,减少实际压缩比,采用排气门晚开,增加膨胀比的方式。目前大家定义的阿特金森为在自然吸气上采取的高效循环就叫阿特金森。


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图1-1 阿特金森循环


阿特金森循环主要是实现两个功能,第一减少泵气损失,一方面是增加膨胀功。从而实现了节能减排 。

2. 高滚流比进气道技术

高滚流进气道技术就是实现进气道强滚流,与燃烧室、活塞顶配合实现高的湍动能水平,保证外部大量EGR引入后的稳定燃烧。


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图2-1 高滚流进气道

3. 高压缩比技术

阿特金森循环采用进气门晚关,一部分进气回流,所以缸内进气量减少,实际压缩比减少,从而可以增大发动机理论设计压缩比,根据情况压缩比可以设计值到12-13.5左右,可以增加燃烧效率同时不会引起爆震。

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图3-1 高压缩比技术

4. 中置大角度双VVT技术

VVT技术可以实现进排气可变相位,根据发动机从低到高转速、从低负荷到高负荷相位不同要求,采用VVT技术可以实现各个转速相位最佳数值,同时大角度VVT可以实现更大范围的相位调节,这样可以让发动机达到各个转速工况最好的节能减排效果。


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图4-1 2000rpm/2bar油耗VVT选配

5. 降摩擦技术

阿特金森技术的采用,让发动机最大爆发压力降低,性能水平降低,这样发动机本体的润滑、冷却、运动系统重量、摩擦面积都可以进一步优化提升,摩擦损失的降低,让发动机热效率进一步提升。


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图5-1 摩擦功对油耗影响

6. 外部中冷EGR技术

外部中冷EGR在汽油机上使用,可以提升发动机混合气比热容,从而提升抗爆震能力,减少爆震倾向;同时随着EGR增加,泵气损失减少。

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图6-1 外部中冷EGR效果


以上技术是高效发动机主要的技术措施,展示了每一项技术的效果,但每项技术的设计、开发、应用都需要反复思考、分析和验证,每项技术高效的实施需要丰富的经验基础,这也是实现汽油机40%热效率关键所在。

40%汽油机热效率已不是梦,现在通过技术的努力已成为美好的现实,40%热效率技术可以大幅度传统内燃机的油耗水平,也是一项性价比很高的降油耗综合技术措施,我们已开启了40%汽油热效率中国技术的开端,后续的道路需要汽车厂、供应商一起合作努力,来实现高效发动机进一步应用,为后续大量推广打下坚实的基础。

高效内燃机必是传统内燃机后续发展主要路线,可以实现混动专用高效发动机应用、增程专用高效发动机应用,以后的路只要有内燃机的地方,一定会不失高效发动机技术。