תוכן מאמר זה מבוסס על דוח ההערכה הטכני שהושלם על ידי Roush תעשיות מטעם CAELP בשנת 2021. הוא ממיין באופן שיטתי את המסלולים הטכניים למנועי בנזין יעילים בשנת 2025 ומעבר לה, וחושף את טכנולוגיות המפתח לשיפור היעילות התרמית והפחתת הפליטות. רבים מהפתרונות הטכניים הללו יושמו בשוק הנוכחי.
1. טכנולוגיית דילול גז מעורב
ערך יחס החום הספציפי מוגדל באמצעות EGR או דילול אוויר, ובכך מגדיל את כמות העבודה שהועברה על ידי הבוכנה במהלך שבץ ההתרחבות. האיור הבא מראה את ההשפעה של יחס הדחיסה (CR) וערך 𝛾 על יעילות המרת הדלק של מחזור הנפח הקבוע. ערך 𝛾 של תערובת האוויר הוא בערך 1.4, ואילו ערכי מוצרי הבעירה (פחמן דו חמצני ואדי מים) נמוכים יותר, קרוב ל 1.3. הערך 𝛾 של תערובת הצילינדר המדולל באוויר גבוה יותר בהשוואה לתערובת המדוללת על ידי קירור מחזור גז פליטה (CEGR). זה הופך את המנוע עם בעירה רזה (דילול אוויר) ליעיל יותר באותה דילול שווה ערך (כלומר, יחס הדלק לתערובת גז שאינו דלק בצילינדר).
1. טכנולוגיית דילול גז מעורב
ערך יחס החום הספציפי מוגדל באמצעות EGR או דילול אוויר, ובכך מגדיל את כמות העבודה שהועברה על ידי הבוכנה במהלך שבץ ההתרחבות. האיור הבא מראה את ההשפעה של יחס הדחיסה (CR) וערך 𝛾 על יעילות המרת הדלק של מחזור הנפח הקבוע. ערך 𝛾 של תערובת האוויר הוא בערך 1.4, ואילו ערכי מוצרי הבעירה (פחמן דו חמצני ואדי מים) נמוכים יותר, קרוב ל 1.3. הערך 𝛾 של תערובת הצילינדר המדולל באוויר גבוה יותר בהשוואה לתערובת המדוללת על ידי קירור מחזור גז פליטה (CEGR). זה הופך את המנוע עם בעירה רזה (דילול אוויר) ליעיל יותר באותה דילול שווה ערך (כלומר, יחס הדלק לתערובת גז שאינו דלק בצילינדר).
1.1 רפורמה מיוחד-צילינדר מיוחד לא-קטליטי (D-Egr)
מערכת ה- EGR הייעודית שפותחה על ידי מכון המחקר Southwest (SWRI). מערכת זו מייצרת גז רפורמי עם ריכוזים גבוהים של H₂ ו- CO על ידי המרת צילינדר אחד למצב בעירה עשיר בשמן. גזים רפורמטיים אלה מוצגים ליציאות הצריכה של צילינדרים אחרים ובעירה מלאה בבעירה SI [10]. מבחן ההפגנה של SWRI D-EGR שנערך במנוע ה- PFI בנפח 2.4 ליטר באופן טבעי מעיד כי צריכת הדלק השתפרה ביותר מ- 10% בכל טווח התפעול של המנוע.
1.2 פסולת קטליטית גז מחזור מחזור לולאה
אחד הצילינדרים פועל ביחס דלק אוויר רזה ומאמץ טכנולוגיית הזרקת דלק משנית לאחר הבעירה. גז הפליטה מצילינדר זה מטופל על ידי מיטת הזרז ומייצר גז רפורמי עשיר במימן באמצעות תגובות אנדותרמיות. בבדיקת המנוע של 2.0 ליטר GM EcoTec lnf di, כאשר המהירות הסיבובית הגיעה ל -2000 סל"ד וערך ההגברה היה 4 בר, הושגה ריכוז צריכת מימן של 5%. יחס הנפח של מחזור גז פסולת הועלה מפחות מ- 25% ליותר מ 50%. היעילות של מנוע זה בנקודת ההפעלה עלתה ב -8% בהשוואה לערך המידה.
2. אופטימיזציה של יחס הרחבה
מנוע עם יחס דחיסה גיאומטרי גבוה אך יחס דחיסה יעיל הנמוך מיחס ההתרחבות האפקטיבי הוא דרך יעילה לשיפור יעילות המנוע. במנועים המיוצרים על ידי המונים, בדרך כלל מושגים מחזורי ההרחבה יתר על המידה על ידי סגירת שסתומי הצריכה מראש (EIVC) או עיכוב סגירת שסתומי הצריכה. שבץ הצריכה הקצר יותר מוביל להפחתה בכמות הדחיסה שנמשכת על ידי המנוע לכל מחזור, ולכן יש צורך במנוע מיקוד גדול יותר בכדי לשמור על אותו מומנט/רמת הספק כמו מנועי שאינם אטקינסון/מילר. עבור מנועים עם טורבו, ניתן לפצות את אובדן נפח שבץ הצריכה על ידי הגדלת לחץ ההגברה. למנועים עם מחזורי מילר עם טורבו יש יחס התפשטות גבוה יותר וטמפרטורות פליטה נמוכות יותר, ובכך מצמצמים את הביקוש לבעירה רזה.
אתגר אחד שעומד בפניו בעת אימוץ אסטרטגיות EIVC ו- LIVC הוא שהסערה בסוף שבץ הדחיסה תיחלש. איור 6 להלן מציג את השינויים באנרגיה הקינטית הסוערת (TKE) בתוך הצילינדר כאשר מאומצים אסטרטגיות EIVC ו- LIVC בהשוואה למנוע ההתייחסות. הפחתה זו ב- TKE תוביל לירידה ביעילות הבעירה וחוסר היציבות בבעירה. במקרים מסוימים, בהשוואה למנוע המידה, זה עשוי אפילו להוביל להפחתת היעילות והגברת הפליטות.
האיור הבא מציג את תוכנית האופטימיזציה של התכנון הנדרשת עבור מנוע ה- EA888 דור שלישי מסוג B (2.0 ליטר ארבעה צילינדרים) כדי לשמור על רמת הסערה בצילינדר של מנוע המחזור הלא-מילר הקודם. מנוע זה מאמצ את טכנולוגיית ה- EIVC כדי להשיג את מחזור הטוחן, ויש צורך לשמור על הסערה בתוך הצילינדר ויעילות הבעירה באמצעות אופטימיזציה של תכנון המנוע.
3. יחס שבץ של שילוב צילינדר קטן יותר
האיור הבא מציג את השינויים בשלושת הגורמים העיקריים שקובעים את יחס שבץ השעמום האופטימלי של מנוע: מהירות בוכנה, יחס שטח השטח לנפח וירידה בלחץ משני צידי שסתום הצריכה. יחס שבץ השעמום האופטימלי נקבע על ידי הגורמים הבאים:
מהירות בוכנה ממוצעת: ככל שהמכה ארוכה יותר, כך מהירות הבוכנה הממוצעת גבוהה יותר, תוך הגבלת מהירות המנוע המרבית. בין אם מדובר במנועים בעלי טורבו או בשאיפה באופן טבעי, רובם בימינו לא הגיעו לגבול העליון של מהירות הבוכנה הממוצעת שהטכנולוגיה הנוכחית יכולה להשיג (כ- 25 מ '/שניות).
מאפייני ירידה בלחץ שסתום צריכת: מנועים עם עיצוב יחס של יחס נשא יכולים להגדיל את גודל השסתום, ויוצרים שטח מעבר זרימה גדול יותר (כלומר, אזור הזרימה), ובכך להפחית את ירידת הלחץ בשני קצוות השסתום ושיפור היעילות הנפחית. עם זאת, במהירויות גבוהות, היעילות הנפחית של מנועי יחסי משעמם נמוכים תירד, וכתוצאה מכך התכווצות מוקדמת של מומנט וכוח בטווח המהירות של המנוע.
יעילות העברת חום: יחס דחיסה נמוך יותר (BSR) יפחית את יחס שטח הפנים לנפח של תא הבעירה (במיוחד בסמוך למרכז הבעירה המתים העליונים), ובכך יחליש את אפקט העברת החום של הבעירה. ככל שיחס הדחיסה עולה, יחס שטח הפנים לנפח של תא הבעירה גדל, מה שמוביל לעלייה בהפסדי העברת החום ולקיזוז חלק מהיתרונות שהובאו בשיפור היעילות. השפעה זו משמעותית במיוחד במנועי מחזור אטקינסון-מילר עם יחסי דחיסה גיאומטריים גבוהים במיוחד.
עמידות בפני פיצוץ הנגרמת על ידי מרחק התפשטות הלהבה: יחס קוטר צילינדר קטן יותר יקצר את מרחק התפשטות הלהבה, ובכך יפחית את זמן שחרור החום (תגדיל את שיעור הבעירה הנפח הקבוע). קיצור זמן הבעירה יפחית גם את הפיצוץ (הזמן של הגז הסופי להגיע למצב ההצתה העצמית הוא קצר יותר). זה מאפשר יחס דחיסה גבוה יותר.
סערה בצילינדר וקצב הבעירה: ככל שמהירות הבוכנה גדלה, הסערה בצילינדר מתעצמת. כאשר השעמם והשבץ נמוך יחסית, באותה מהירות סיבוב ותנאי תזוזה, מהירות הסיבוב של הבוכנה היא למעשה גבוהה יותר. סערה משופרת זו יכולה להאיץ את קצב הבעירה ולהפחית את נטיית הפיצוץ (שכן הזמן של הגז הסופי להגיע למצב ההצתה העצמית הוא קצר יותר). זה מאפשר למנוע לאמץ יחס דחיסה גבוה יותר.
4. אופטימיזציה לניהול תרמי
מנוע SI טיפוסי מייצר כמות גדולה של חום במהלך הבעירה, מתוכם כשליש מועבר לקיר הצילינדר ושליש נוסף אבוד לנוזל הקירור. הטכנולוגיות העיקריות להפחתת אובדן העברת החום כוללות:
הגדלת התערובת הרזה השמורה יכולה להוריד את טמפרטורת הבעירה, ובכך להפחית את הפסדי העברת החום
מנועים המעוצבים ביחס שטח פנים ספציפי נמוך (BSR) יכולים להפחית ביעילות את יחס שטח הפנים לנפח של תא הבעירה, ולמזער עוד יותר הפסדי העברת חום
מערכת קירור מפוצלת - על ידי הגדרת מעגלי קירור עצמאיים עבור בלוק הצילינדר וראש הצילינדר, ניתן לשמור על טמפרטורת העבודה האופטימלית של ראש הצילינדר וגוש הצילינדר. ראשי צילינדר בטמפרטורה נמוכה יכולים למנוע דפיקה ותמיכה בפעולה יחס דחיסה גבוהה. קירות צילינדר בטמפרטורה גבוהה יכולים להפחית את הפסדי העברת החום ואת החיכוך הנמוך יותר. מערכת הקירור המפוצלת יכולה גם להאיץ את החימום המוקדם של תא הבעירה, לשפר את יציבות הבעירה ולהפחית פליטות במהלך התחלות קרות.
ציפוי המחסום התרמי, באמצעות מבנה מורכב של ציפוי קרמי (כמו זירקוניה מיוצבת ysz yttria) ושכבות מליטה מתכתית, יכול להפחית את טמפרטורת הקיר של תא הבעירה ב 150-300 מעלות ולהקטין את אובדן החום של ההולכה דרך בלוק הצילינדר ובוכנה (הסכמה של 25-30% מאובדן האנרגיה הכולל).
תַקצִיר
הדמות הבאה מסכמת את ההשפעה של טכנולוגיות שונות על כל קישור להפעלת המנוע. החלק הירוק מציין השפעות חיוביות, בעוד שהחלק האדום מציג השפעות שליליות. לדוגמה, טכנולוגיית ה- EGR הקירור יכולה לשפר את יכולת החום הספציפית של התערובת בצילינדר, להפחית את הפסדי העברת החום ובכך לשפר את יעילות המנוע. עם זאת, יחד עם זאת, טכנולוגיה זו תשפיע לרעה על יציבות הבעירה ועל קצב הבעירה. לכן, לשילוב אותה עם מערכת הצתה אנרגטית גבוהה ותכנון מנועי יחס נשא של משעמם יהיה בעל יתרונות רבים יותר. חלק מהאינטראקציות החלשות אינן מוצגות באיור, כמו ההשפעה של יחס הדחיסה (תחת אותו יחס של נשא הצילינדר) על פרמטרים כמו העברת חום.
