Conținutul acestui articol se bazează pe raportul de evaluare tehnică finalizat de Roush Industries în numele CAELP în 2021. Sortează în mod sistematic rutele tehnice pentru motoarele cu benzină eficiente în 2025 și nu numai, dezvăluind tehnologiile cheie pentru îmbunătățirea eficienței termice și reducerea emisiilor. Multe dintre aceste soluții tehnice au fost implementate pe piața actuală.
1. Tehnologia mixtă de diluare a gazelor
Valoarea specifică a raportului de căldură este crescută prin diluarea EGR sau a aerului, crescând astfel cantitatea de muncă transferată de piston în timpul accidentului vascular cerebral de expansiune. Figura următoare arată influența raportului de compresie (CR) și valoarea 𝛾 asupra eficienței de conversie a combustibilului a ciclului de volum constant. Valoarea 𝛾 a amestecului de aer este de aproximativ 1,4, în timp ce valorile produselor de ardere (dioxid de carbon și vapori de apă) sunt mai mici, aproape de 1,3. Valoarea 𝛾 a amestecului de cilindru diluat cu aer este mai mare în comparație cu amestecul diluat prin răcirea recirculării gazelor de evacuare (CEGR). Acest lucru face ca motorul cu combustie slabă (diluarea aerului) să fie mai eficientă sub aceeași diluare echivalentă (adică raportul dintre combustibil și amestecul de gaz non-combustibil din cilindru).
1. Tehnologia mixtă de diluare a gazelor
Valoarea specifică a raportului de căldură este crescută prin diluarea EGR sau a aerului, crescând astfel cantitatea de muncă transferată de piston în timpul accidentului vascular cerebral de expansiune. Figura următoare arată influența raportului de compresie (CR) și valoarea 𝛾 asupra eficienței de conversie a combustibilului a ciclului de volum constant. Valoarea 𝛾 a amestecului de aer este de aproximativ 1,4, în timp ce valorile produselor de ardere (dioxid de carbon și vapori de apă) sunt mai mici, aproape de 1,3. Valoarea 𝛾 a amestecului de cilindru diluat cu aer este mai mare în comparație cu amestecul diluat prin răcirea recirculării gazelor de evacuare (CEGR). Acest lucru face ca motorul cu combustie slabă (diluarea aerului) să fie mai eficientă sub aceeași diluare echivalentă (adică raportul dintre combustibil și amestecul de gaz non-combustibil din cilindru).
1.1 Reforma specială în cilindri non-catalitică (D-EGR)
Sistemul EGR dedicat dezvoltat de Southwest Research Institute (SWRI). Acest sistem generează gaz reformat cu concentrații mari de H₂ și CO prin transformarea unui cilindru într-un mod de ardere bogat în ulei. Aceste gaze de reformă sunt introduse în porturile de admisie ale altor cilindri și în combustia completă în combustia SI [10]. Testul de demonstrație SWRI D-EGR efectuat pe motorul aspirat în mod natural de 2,4 litri, indică faptul că economia de combustibil s-a îmbunătățit cu mai mult de 10% în intervalul de operare al motorului.
1.2 Reformarea buclei de recirculare a gazelor uzate catalitice
Unul dintre cilindri funcționează la un raport slab al combustibilului și adoptă o tehnologie secundară de injecție de combustibil după combustie. Gazul de evacuare din acest cilindru este tratat de patul de catalizator și generează gazul reformant bogat în hidrogen prin reacții endotermice. În testul motorului GM Ecotec LNF DI de 2,0 litri, când viteza de rotație a ajuns la 2000 rpm și valoarea impulsului a fost de 4 bar, s-a obținut o concentrație de aport de hidrogen de 5%. Raportul de volum al recirculării gazelor reziduale a fost crescut de la mai puțin de 25% la peste 50%. Eficiența acestui motor la punctul de operare a crescut cu 8% în comparație cu valoarea de referință.
2. Optimizarea raportului de expansiune
Un motor cu un raport de compresie geometrică ridicat, dar un raport de compresie eficient mai mic decât raportul efectiv de expansiune este o modalitate eficientă de a îmbunătăți eficiența motorului. În motoarele produse în masă, ciclurile de exces de expansiune sunt de obicei obținute prin închiderea valvelor de admisie în avans (EIVC) sau întârzierea închiderii valvelor de admisie. Cursa de admisie mai scurtă duce la o reducere a cantității de compresie trasă de motor pe ciclu, astfel încât un motor cu deplasare mai mare este necesar pentru a menține același nivel de cuplu/putere ca și motoarele non-Atkinson/Miller. Pentru motoarele turbo, pierderea volumului de accident vascular cerebral de admisie poate fi compensată prin creșterea presiunii de impuls. Motoarele cu cicluri Miller turbocompresate au un raport de expansiune mai mare și temperaturi de evacuare mai mici, reducând astfel cererea de combustie slabă.
O provocare cu care se confruntă atunci când adoptă strategii EIVC și LIVC este că turbulența la sfârșitul accidentului vascular cerebral de compresie va slăbi. Figura 6 de mai jos arată modificările energiei cinetice turbulente (TKE) în cilindru atunci când strategiile EIVC și LIVC sunt adoptate în comparație cu motorul de referință. Această reducere a TKE va duce la o scădere a eficienței combustiei și a instabilității combustiei. În unele cazuri, în comparație cu motorul de referință, acest lucru poate duce chiar la o eficiență redusă și la creșterea emisiilor.
Următoarea cifră arată planul de optimizare a proiectării necesar pentru EA888 motorul de tip B de a treia generație (2,0 litri cu patru cilindri) pentru a menține nivelul de turbulență în cilindru al motorului cu ciclu non-Miller din generația anterioară. Acest motor adoptă tehnologia EIVC pentru a realiza ciclul Miller și este necesar să se mențină turbulența în interiorul cilindrului și eficiența combustiei prin optimizarea proiectării motorului.
3. Un raport mai mic de cursă a cursei de foraj a cilindrului
Figura următoare arată modificările celor trei factori principali care determină raportul optim de cursă de foraj a unui motor: viteza pistonului, raportul de suprafață / volum și căderea de presiune pe ambele părți ale valvei de admisie. Raportul optim de accident vascular cerebral este determinat de următorii factori:
Viteza medie a pistonului: cu cât cursa este mai lungă, cu atât este mai mare viteza medie a pistonului, limitând în același timp viteza maximă a motorului. Fie că este vorba de motoare turbo sau aspirate în mod natural, majoritatea nu au atins limita superioară a vitezei medii a pistonului pe care tehnologia actuală o poate realiza (aproximativ 25 m/s).
Caracteristici de cădere a presiunii supapei de admisie: Motoarele cu un raport de rapoarte de alezaj mare pot crește dimensiunea valvei, formând o zonă mai mare de trecere a fluxului (adică zona de curgere), reducând astfel căderea de presiune la ambele capete ale supapei și îmbunătățind eficiența volumetrică. Cu toate acestea, la viteze mari, eficiența volumetrică a motoarelor cu raport de foraj scăzut va scădea, ceea ce duce la atenuarea prematură a cuplului și a puterii în intervalul de viteză al motorului.
Eficiența transferului de căldură: un raport de compresie mai mic (BSR) va reduce raportul suprafeței / volumului camerei de ardere (în special în apropierea centrului de combustie de top), slăbind astfel efectul de transfer de căldură al combustiei. Pe măsură ce raportul de compresie crește, raportul de suprafață / volum al camerei de ardere crește, ceea ce duce la o creștere a pierderilor de transfer de căldură și a compensat unele dintre avantajele aduse de îmbunătățirea eficienței. Acest efect este deosebit de semnificativ în motoarele cu ciclu Atkinson-Miller cu raporturi de compresie geometrice extrem de ridicate.
Rezistența de detonare cauzată de distanța de propagare a flăcării: un raport mai mic al diametrului cilindrului va scurta distanța de propagare a flăcării, reducând astfel timpul de eliberare a căldurii (crescând proporția de combustie a volumului constant). Scurtarea timpului de ardere va reduce, de asemenea, detonarea (timpul pentru ca gazul terminal să ajungă la starea de auto-pornire este mai scurtă). Acest lucru face posibil un raport de compresie mai mare.
Turbulența în cilindru și rata de ardere: pe măsură ce viteza pistonului crește, turbulența în cilindru se intensifică. Atunci când alezajul și cursa sunt relativ scăzute, în aceeași viteză de rotație și condiții de deplasare, viteza de rotație a pistonului este de fapt mai mare. Această turbulență îmbunătățită poate accelera rata de ardere și poate reduce tendința de detonare (deoarece timpul pentru ca gazul terminal să ajungă la starea de auto-pornire este mai scurtă). Acest lucru permite motorului să adopte un raport de compresie mai mare.
4. Optimizarea managementului termic
Un motor tipic SI generează o cantitate mare de căldură în timpul combustiei, din care aproximativ o treime este transferat pe peretele cilindrului și o altă treime se pierde la lichid de răcire. Tehnologiile cheie pentru reducerea pierderii de transfer de căldură includ:
Creșterea amestecului slab reținut poate scădea temperatura de ardere, reducând astfel pierderile de transfer de căldură
Motoarele proiectate cu un raport de suprafață specific scăzut (BSR) pot reduce eficient raportul suprafeței / volumului camerei de ardere, minimizând în continuare pierderile de transfer de căldură
Sistem de răcire divizată - Prin configurarea circuitelor de răcire independente pentru blocul cilindrului și capului cilindrului, se poate menține temperatura optimă de lucru a capului cilindrului și a blocului cilindrului. Capetele de cilindru la temperaturi joase pot preveni lovitura și suporta funcționarea raportului ridicat de compresie. Pereții cilindri de temperatură ridicată pot reduce pierderile de transfer de căldură și frecarea mai mică. Sistemul de răcire despicat poate accelera, de asemenea, preîncălzirea camerei de ardere, poate îmbunătăți stabilitatea combustiei și poate reduce emisiile în timpul începerii la rece.
Acoperirea de barieră termică, printr-o structură compozită de acoperiri ceramice (cum ar fi YSZ YTTRIA Stabilizată de zirconie) și straturi de legare a metalelor, poate reduce temperatura peretelui camerei de ardere cu 150-300 grade și poate scădea pierderea de căldură de conducere prin blocul de cilindri și piston (reprezentând 25-30% din pierderea totală a energiei).
Rezumat
Figura următoare rezumă influența diferitelor tehnologii asupra fiecărei legături de funcționare a motorului. Partea verde indică efecte pozitive, în timp ce partea roșie prezintă impacturi negative. De exemplu, tehnologia EGR de răcire poate îmbunătăți capacitatea specifică de căldură a amestecului din cilindru, poate reduce pierderile de transfer de căldură și, prin urmare, îmbunătățește eficiența motorului. Cu toate acestea, în același timp, această tehnologie va avea un efect negativ asupra stabilității combustiei și a ratei de ardere. Prin urmare, combinarea acestuia cu un sistem de aprindere cu energie mare și un raport cu un raport scăzut al forajului va avea mai multe avantaje. Unele interacțiuni slabe nu sunt prezentate în figură, cum ar fi influența raportului de compresie (sub același raport al forajului cilindrului) asupra parametrilor precum transferul de căldură.
