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两张大图看懂先进发动机技术趋势

作者:  来源:  时间:2016/12/8 9:16:40

全球先进车用发动机的关键技术,你知几何?

两张图片向你展示当下全球先进车用发动机的关键技术。

发动机

发动机

直喷、增压、可变气门、废气再循环等已经成为全球发动机市场主流技术。同时,全球先进发动机技术应用趋同性变化明显。

12月1日,昆仑润滑油杯“中国心”年度十佳发动机评选结果在上海揭晓。同期,由《汽车与运动evo》杂志、清华大学汽车产业与技术战略研究院、上海交通大学汽车工程研究院联合主办,中国石油润滑油公司鼎力支持的第二届中国汽车发动机技术大会成功举办。

技术大会上,清华大学机械工程学院教授、“中国心”十佳发动机评审专家评审委员会主任王建昕带来了引起业内广泛关注的《汽车发动机核心技术发展趋势》报告,对全球发动机先进技术应用变化趋势进行梳理和点评。

看全球关键技术趋势

1、汽油直喷(GDI)成主流

 

发动机

发动机 汽油缸内直喷(GDI)使喷油控制更灵活,有利于提高压缩比和实现稀燃,技术优势明显。

发动机 喷油器侧置GDI已得到普遍应用,大众等欧洲公司引导了该技术发展潮流,继而美国,近几年日本也大量采用,中国近年来已有多款自主开发的GDI发动机量产。

发动机 欧美日三大板块新车中的GDI汽油机占比快速提高,2015年是2009年的3-4倍,尤其欧洲占比已达75%,中国在2015年GDI占比也超过25%。

2、中置喷油器在欧洲大量应用

发动机

欧洲中置GDI技术应用情况

喷油器中置GDI系统,具有改善爆震、降低碳烟和机油稀释等优势,但也存在喷嘴安装空间紧张,容易积碳导致耐久性不好,比侧置GDI设计制造难度更大等问题。

 2010年戴姆勒公司开始产业化,2014年欧洲新开发的汽油机全部为中置GDI,目前美国和日本尚未使用。

3、GDI+PFI双喷油系统技术领先

、 GDI+PFI的双喷系统,兼有两者的优点,在不同工作条件下切换使用,PFI喷射主要用于冷启动和中小负荷,GDI主要用于中高负荷及要求多次喷射的工况。

、 双喷系统具有组织燃烧更灵活、控制爆震、抑制冷启动时的碳烟排放等优势,而成本增加不多。

、 目前采用双喷射系统的有丰田公司和奥迪公司。

4、基于直喷+增压的汽油机小排量化发展

发动机

 以直喷+增压为核心内容的小排量化(Down Sizing)显著提高了汽油机的热效率和动力性,升功率超过100kW,升转矩超过200Nm的汽油机已不鲜见。

 2015年,欧美日新开发汽油机中采用【GDI+T】 技术占比为75%~100%。

 2015年,日本新开发的7款发动机中6款是【GDI+T】(另一款是HEV专用发动机),表明日本的思路在近两年中有重大变化,也跟进了小排量化潮流。

5、提高压缩比 国际上已有多家公司实现高压缩比:非增压12-13,增压≥10.5。

 提高压缩比和增压小排量,都使燃烧室内的能量密度成倍增高,导致“超级爆震”发生,其机理尚未完全搞清。这也是当今小排量汽油机研发难点。

 清华大学研究表明,超级爆震现象有可能由“敲缸”进入了“爆震燃烧”,即“Knocking”变为“Detonation”。

6、高滚流比及高速燃烧的应用

 提高进气滚流强度可以加速宏观的油气混合,并在压缩终了转变为高强湍流,以加速火焰传播。

 高速燃烧在抵消稀燃和EGR等带来的燃烧不稳定问题同时,可提高燃烧效率和热功转换效率。

7、米勒/阿特金森循环日企应用广泛

 米勒循环与阿特金森循环的原理相似,都是以膨胀比大于压缩比的原理来提高指示热效率。

 最先由丰田公司和本田公司用于混合动力专用发动机,后在日本普通汽油车上也开始使用。

 2014年日本新开发的10款发动机(非HEV)中有6款用阿特金森循环技术,欧美尚未见使用。

8、自动启停技术(Start-Stop)全面普及

、 启停技术,即汽车停驶和怠速时停止发动机运转,汽车起步时快速启动发动机进入工作状态。

、 启停技术的节油效果一般在5%左右。

9、EGR废气再循环大量应用

 

 

发动机

EGR系统

 EGR原本是用于减低NOx排放,但在汽油机上使用可降低泵气损失,进而改善中低负荷油耗,冷却EGR还兼有中高负荷控制爆震和降低排温的作用。

 2014年,日本新生产的10款车用汽油机中有6款采用了冷却EGR技术。

10、稀释稀燃可降低发动机中小负荷油耗

 清华大学在2010年提出了稀释稀燃=空气稀燃+废气稀释的思路,Lean Dilution Combustion,综合一代和二代GDI优点。

 具有三种效果:体积稀释、密度稀释、活性稀释。试验证明可以改善油耗7%~8%,同时降低NOx排放。

 如果有更好的GDI发动机、更强的点火系统,稀燃范围可进一步扩大,节油效果会更好。

11、基于低温压燃的高效发动机技术路线

 沿用“火花点火,火焰传播”燃烧方式,汽油机要实现50%的热效率有很大难度。

 “均质压燃HCCI”可使汽油机热效率大幅提高,在进行了十几年的基础研究后,目前面向产业化的研究仍在进行中。

 中国研究者在第三期973计划研究中,从燃料与燃烧融合入手,走“低温压燃”技术路线,以期实现高效低排放内燃机目标。

12、可变机油泵和冷却水泵

 电控水泵和电控机油泵可以根据发动机工况合理改变其压力或流量,降低附件耗功,提高机械效率,可分别降低整车油耗1%~1.5%。

 近几年来,电控水泵和机油泵的应用明显加快,从2013年仅在欧洲2个公司的产品上应用,到2014年发展到欧美日共6家公司应用,其中3家公司同时采用电控水泵和电控机油泵。

未来30年内燃机仍是汽车的最主要动力系统,车用汽油机的热效率有可能在2020年左右达到50%,而柴油机将会更高,内燃机在节能减排方面将更具优势。汽车发动机产业作为先进制造业的代表,技术含金量非常高,它是体现综合竞争力的标志性产业,将是我国制造业、汽车产业实现创新驱动、转型升级、由大变强的主战场。

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