康明斯欲將重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)效率提升至55% —— 文章正文2016-01-18

 在美國高速公路上?？吹降闹匦蜖恳ㄜ嚕淙加徒?jīng)濟(jì)性非常低，油耗通常高達(dá)5.8mpg(40.5 L/100km)。一項(xiàng)由美國能源部支持的先進(jìn)技術(shù)——康明斯-彼德比爾特超級(jí)卡車項(xiàng)目(Cummins– Peterbilt SuperTruck)卻在去年的測(cè)試中其油耗數(shù)值僅為10.7mpg (21.98L/100km)為常規(guī)車的一半。如果所有的重型卡車的油耗能向超級(jí)卡車靠攏，那全美每年可以節(jié)省近3億桶燃油，相當(dāng)于節(jié)約150億美元，每輛8級(jí)貨卡每年可以節(jié)省1萬美元的燃油開支。

盡管半拖掛卡車僅占全美汽車總量的4%，但卻燒掉了大約20%的燃油，因此提卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能夠顯著減少CO2的排放量。

該原型車是由康明斯-彼德比爾特公司為SuperTruck項(xiàng)目的開始，該項(xiàng)目為政府與行業(yè)間的合作項(xiàng)目，耗資7800萬美元研發(fā)周期長達(dá)4年，旨在研發(fā)下一代低油耗高效的柴油半拖掛卡車。美國能源部希望能進(jìn)一步提升發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的效能正著力推進(jìn)后續(xù)項(xiàng)目。

Wayne Eckerle，自稱“燃燒小子”，康明斯集團(tuán)研發(fā)科技副總裁表示，“Super Truck項(xiàng)目融匯了我們將過去研究的數(shù)項(xiàng)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)并得了可行性驗(yàn)證，讓我們受益良多。”

SuperTruck的動(dòng)力系統(tǒng)達(dá)到了美國能源部所設(shè)定的目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)峰值制動(dòng)熱效率達(dá)到50%。Eckerle表示：“達(dá)到50%相當(dāng)不容易，現(xiàn)在的柴油機(jī)大約只能達(dá)到43%。”

作為全美唯一的獨(dú)立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造商，能源部將在2年內(nèi)撥款450萬美元資助康明斯，希望將熱效率在現(xiàn)在基礎(chǔ)上再提升5個(gè)百分點(diǎn)至55%。Eckerle表示，“我們的目標(biāo)證明是在真實(shí)的工作環(huán)境下，效率還有進(jìn)一步提升的空間，我們會(huì)借助SuperTruck項(xiàng)目的成果作進(jìn)一步的研究工作。”

根據(jù)美國能源部的資料顯示，該《重型發(fā)動(dòng)機(jī)使能技術(shù)項(xiàng)目》是由康明斯與政府間平攤經(jīng)費(fèi)的研究項(xiàng)目，旨在“通過Super Truck項(xiàng)目投資，促進(jìn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、分析、研發(fā)工作，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)峰值熱效率提升至55%制動(dòng)熱效率(BTE)高效柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作，并高度整合燃燒/后處理系統(tǒng)。”

“要想實(shí)現(xiàn)55%制動(dòng)熱效率(BTE)并沒有什么特效藥，”Lyle Kocher，康明斯先進(jìn)系統(tǒng)集成技術(shù)顧問，兼柴油機(jī)55BTE項(xiàng)目首席研究員提醒道，“既要提高燃油經(jīng)濟(jì)性，但又要符合排放的相關(guān)法規(guī)，我們必須多管齊下。”

康明斯團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用新方法來微調(diào)燃油燃燒過程、優(yōu)化燃油與空氣處理系統(tǒng)、改進(jìn)排放系統(tǒng)、減少發(fā)動(dòng)機(jī)主體與渦輪增壓器的寄生損失、并增加底循環(huán)來回收廢熱。

改善燃燒

Kocher通過觀察后認(rèn)為，改善燃油過程或?qū)⑹翘岣哒w效率的關(guān)鍵之所在。燃料的燃燒過程非常復(fù)雜，燃料在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒過程中，伴隨著2,000次同時(shí)或連續(xù)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。據(jù)報(bào)道，為了優(yōu)化柴油機(jī)的燃燒模型，康明斯每年都在商用計(jì)算機(jī)代碼的授權(quán)許可上就要花掉100多萬美元。

Kocher表示，研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用了多種先進(jìn)燃燒策略來優(yōu)化熱釋放率，在降低氮氧化碳物的排放量的同時(shí)保持低溫燃燒，但在效率與排放之間我們必須要有所取舍。

“我們希望盡可能的縮短燃燒時(shí)間來減少傳熱損失”，Kocher說，“特別是控制燃燒曲線的形態(tài)，我們希望延長燃燒進(jìn)程的前半段，縮短后半程。此外，我們還希望通過隔熱涂層和其他方式來降低在氣缸內(nèi)的熱損耗。”

與其他的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，55%BTE發(fā)動(dòng)機(jī)從少油燃燒點(diǎn)火循環(huán)開始提升燃油經(jīng)濟(jì)性，并通過低速運(yùn)行降低機(jī)械損耗，提高壓縮比、在稀釋燃油條件下的燃燒率，摒棄節(jié)氣門，通過優(yōu)化空氣-燃油比控制系統(tǒng)進(jìn)氣避免泵送損失，以此來提柴油的燃燒效率。

Echerle補(bǔ)充道，“在達(dá)成這一目標(biāo)的同時(shí)，工程師還必須注意峰值缸壓，并避免產(chǎn)生噪音。”

除了采用更高的噴射壓力、更精準(zhǔn)的霧化控制及多次噴射等最新燃油噴射技術(shù)外，更靈活的閥門控制、優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣也是提高動(dòng)力系統(tǒng)效率的關(guān)鍵之所在。“氣缸無論是在進(jìn)氣還是排氣時(shí)效能都會(huì)有所損失，”Eckerle強(qiáng)調(diào)到，“我們必須盡可能的減少此類泵損失。”

這臺(tái)原型發(fā)動(dòng)機(jī)主要利用廢氣再循環(huán)裝置(EGR)來降低燃燒溫度，Kocher表示“通過EGR來降低溫度控制NOx的排放是其最重要的方法”，此外它還能用來輔助控制泵損失。

提升渦輪增壓效率

“我們使用渦輪增壓器來將效率最大化，”Kocher表示。“相較于低壓，高壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行更高效。”渦輪增壓不僅能提升功率密度，而且還能回收部分廢氣余熱。

為了使渦輪增壓器更高效，康明斯正打算縮小其葉片和外罩間的縫，“我利用完整的計(jì)算流體力學(xué)與反應(yīng)分析以及仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)，來針對(duì)渦輪在循環(huán)的瞬態(tài)條件下氣流的脈動(dòng)情況進(jìn)行建模。”

“在過去，其實(shí)也不過就是3年前，我們還做不到這一點(diǎn)”，Kocher說。了解壓力系數(shù)和其他細(xì)節(jié)信息后，“我們可以更好地設(shè)計(jì)渦輪增壓器的架構(gòu)。我們對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，充分利用每個(gè)循環(huán)過程中的氣流脈動(dòng)，在此之前都些都被忽略了。”

為了盡可能降低熱能損失并提升整體功率，發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮相應(yīng)的冷卻方案，可變氣流冷卻泵可以解決寄生泵損失的問題。同時(shí)，能過采用涂層及其他技術(shù)來減少能量輸送過程中所產(chǎn)生的不可避免的摩擦損耗。

余熱回收

柴油機(jī)55BTE團(tuán)隊(duì)計(jì)劃采用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)，回收EGR系統(tǒng)、尾氣中余熱，并將其轉(zhuǎn)換成有用的能量。該系統(tǒng)包括熱交換器、載熱冷媒、擴(kuò)展器、泵以及冷凝器，將直接通過渦輪擴(kuò)展器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械耦合。

余熱回收系統(tǒng)將作為發(fā)動(dòng)機(jī)的底循環(huán)。Eckerle表示，“康明斯針對(duì)這個(gè)課題已經(jīng)研究了一段時(shí)間,”在早期的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中，在理想環(huán)境下EPA2010發(fā)動(dòng)機(jī)采用EGR系統(tǒng)后燃油經(jīng)濟(jì)性得到了7.4%以上的提升，“但仍有上升空間。”

最后，研究團(tuán)隊(duì)還希望將尾氣后處理系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)緊密耦合，盡可能避免熱量損失。Kocher表示他很期待迎接這一挑戰(zhàn)。