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未來趨勢 影響柴油發動機效率的4項技術

我們都知道:在北美等一些發達國家和地區,柴油發動機的排放要求已經升級到了Tier 4標準,遠比國內的高得多。所以,在這些地區,一些技術和科研機構不斷的朝向提升燃油效率而努力,來改善柴油發動機的熱工作效能,本文就是基于這樣的一個目的出發而討論,以下是正文:

發動機制造商都在不斷尋求提高生產率,提高可靠性和降低運營成本的技術和方法,同時還能滿足嚴格的排放法規。美國環保署的Tier 4提出了一個史無前例的高要求,作為柴油發動機生產企業的我們不禁要提示問:“下一步怎么做?”

目前,柴油發動機的熱效率大約是40%到45%,美國能源署(DOE)設定了55%的目標,到2020年年末,這一目標將有可能實現,新技術不僅提高了柴油發動機的工作效率,而且還能夠商業化。Ricardo的技術專家稱(Ricardo:英國人里卡多爵士創辦的一家工程咨詢公司,譯者注):關于這個問題,有以下四點技術,有可能在未來會影響到柴油發動機的熱效率。

未來趨勢 影響柴油發動機效率的4項技術

未來趨勢 影響柴油發動機效率的4項技術

傳統的柴油發動機


1、余熱回收

廢熱轉換和余熱回收是另外的一個研究方向。大約50%的發動機產生的能量是廢熱,而這其中又有一半的熱能被浪費(即總能量的25%)。從這個角度來看,余熱回收可利用的空間極大。

目前能量回收有兩個主要的方法:直接和間接。直接法通過使用熱電發電機(TEG)把廢熱轉換為電能。TEG的工作原理是:暴露于高溫中的不同金屬之間產生電壓,這類似于一個熱電偶會產生電能。最終,TEG所產生的電力可以作用于發動機曲軸,從而彌補發動機內部機械傳動消耗的動力,如還有多余的電力可以儲存起來用于他處。

間接方法利最常見的是蘭金循環,原理是使用廢熱來產生蒸汽,再利用蒸汽帶來的動能發電,預計到2020年,這種裝置將提高燃油效率超過7.5%。

這些技術達到商業化的兩個最大挑戰是提高效率和降低成本。眼下,熱電發生器的工作成本約為$ 3,000 /千瓦,但目標是<$ 1,000 /千瓦(譯者注:這些都是美元,換算成人民幣為18000元人民幣/千瓦和6000元人民幣/千瓦)此外,該系統的效率還取決于發動機的工作循環(排氣溫度)。雖然如此,技術人員仍在積極的尋求解決方案,用較低的材料和成本、體積來實現熱電轉換。

2、可變氣門技術

可變氣門驅動(VVA)是一個類似于汽車發動機上的技術,更多的應用于大型柴油發動機上。與其他技術如斷缸比,可變氣門技術可以更輕易的實現增大燃油效率,提高低轉速下的扭矩輸出。目前,這一技術正在被重點研究。

3、發動機小型化

小型化指降低發動機的排量,但是輸出功率不變。排量降低的目標是超過10%,換算成提高燃油效率提高1%至4%,小型化發動機更適合應用于較小的非公路設備上,在某些設備中,降速控制也是一種可能,以實現效率的提高。例如,只要把發動機的轉速下降200轉,就可能帶來1%至3%的燃料經濟性的改善。

增加缸壓是另一個可行的做法,但這要求燃料的壓縮比將同步提高,且缸體缸蓋的強度也將增大。目前,技術研究方向已經超向新材料的方向而努力,石墨鑄鐵(Compacted graphite)是一種較新的材料,可以提供較強的受壓能力,和較輕的重量。

第三個研究方向是缸內的燃料噴射和空氣混合。燃料壓力不斷增加,改善燃料輸送和燃燒,這會帶來更高的性能和減少排放。

為了提高燃燒效率,缸內的活塞設計也被重新提上日程。例如Ricardo's Twin Vortex Combustion System (TVCS),這技術的核心是燃料噴射分為上下部燃燒,以更好地管理空燃比,減少煙塵。這會帶來較低的發動機排放和更好的燃料效率。

4、閉環燃燒控制

閉環燃燒控制的概念是實時監控整個燃燒的過程。這要求從燃料注入就開始控制,包括燃料注入的策略,缸內壓力的調整等。有數據表明:閉環控制可以比傳統意義上的開環控制提高2%-4%的燃燒效率。

然而,閉環控制帶來的是系統復雜性的增加,這會帶來穩定性的隱患,例如傳感器必須深入到氣缸內部去探查壓力和溫度,還必須能夠快速的處理數據,這還意味著成本的增加。不過,閉環控制技術已經在汽車發動機上很好的證明其效果,因此,未來,重型柴油發動機技術方向上,這勢必也是一個無法繞過的方向。


影響柴油發動機效率的四個研究方向

以上這些技術,只是在日趨嚴苛的排放法規下催生出來的一系列技術,未來,相信全球排放要求會越來越嚴苛,柴油發動機的燃燒效率無論到何時都是一個技術方向,所以在不遠的未來,柴油發動機的燃燒效率定會越來越高。


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