康明斯欲將重型柴油發(fā)動機效率提升至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)濟性非常低，油耗通常高達5.8mpg(40.5 L/100km)。一項由美國能源部支持的先進技術(shù)——康明斯-彼德比爾特超級卡車項目(Cummins– Peterbilt SuperTruck)卻在去年的測試中其油耗數(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卡車靠攏，那全美每年可以節(jié)省近3億桶燃油，相當于節(jié)約150億美元，每輛8級貨卡每年可以節(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項目的開始，該項目為政府與行業(yè)間的合作項目，耗資7800萬美元研發(fā)周期長達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一步提升發(fā)動機系統(tǒng)的效能正著力推進后續(xù)項目。

Wayne Eckerle，自稱“燃燒小子”，康明斯集團研發(fā)科技副總裁表示，“Super Truck項目融匯了我們將過去研究的數(shù)項先進發(fā)動機技術(shù)并得了可行性驗證，讓我們受益良多。”

SuperTruck的動力系統(tǒng)達到了美國能源部所設(shè)定的目標，發(fā)動機系統(tǒng)峰值制動熱效率達到50%。Eckerle表示：“達到50%相當不容易，現(xiàn)在的柴油機大約只能達到43%。”

作為全美唯一的獨立柴油發(fā)動機制造商，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個百分點至55%。Eckerle表示，“我們的目標證明是在真實的工作環(huán)境下，效率還有進一步提升的空間，我們會借助SuperTruck項目的成果作進一步的研究工作。”

根據(jù)美國能源部的資料顯示，該《重型發(fā)動機使能技術(shù)項目》是由康明斯與政府間平攤經(jīng)費的研究項目，旨在“通過Super Truck項目投資，促進柴油發(fā)動機的設(shè)計、分析、研發(fā)工作，實現(xiàn)發(fā)動機系統(tǒng)峰值熱效率提升至55%制動熱效率(BTE)高效柴油發(fā)動機的研發(fā)工作，并高度整合燃燒/后處理系統(tǒng)。”

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

康明斯團隊計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)、改進排放系統(tǒng)、減少發(fā)動機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)動機內(nèi)的燃燒過程中，伴隨著2,000次同時或連續(xù)發(fā)生的化學反應(yīng)。據(jù)報道，為了優(yōu)化柴油機的燃燒模型，康明斯每年都在商用計算機代碼的授權(quán)許可上就要花掉100多萬美元。

Kocher表示，研發(fā)團隊使用了多種先進燃燒策略來優(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)動機一樣，55%BTE發(fā)動機從少油燃燒點火循環(huán)開始提升燃油經(jīng)濟性，并通過低速運行降低機械損耗，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)進氣避免泵送損失，以此來提柴油的燃燒效率。

Echerle補充道，“在達成這一目標的同時，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)動機的換氣也是提高動力系統(tǒng)效率的關(guān)鍵之所在。“氣缸無論是在進氣還是排氣時效能都會有所損失，”Eckerle強調(diào)到，“我們必須盡可能的減少此類泵損失。”

這臺原型發(fā)動機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)動機的運行更高效。”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，“我利用完整的計算流體力學與反應(yīng)分析以及仿真技術(shù)優(yōu)勢，來針對渦輪在循環(huán)的瞬態(tài)條件下氣流的脈動情況進行建模。”

“在過去，其實也不過就是3年前，我們還做不到這一點”，Kocher說。了解壓力系數(shù)和其他細節(jié)信息后，“我們可以更好地設(shè)計渦輪增壓器的架構(gòu)。我們對整體設(shè)計進行了優(yōu)化，充分利用每個循環(huán)過程中的氣流脈動，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)動機系統(tǒng)設(shè)計中還應(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，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55BTE團隊計劃采用有機朗肯循環(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、擴展器、泵以及冷凝器，將直接通過渦輪擴展器與發(fā)動機進行機械耦合。

余熱回收系統(tǒng)將作為發(fā)動機的底循環(huán)。Eckerle表示，“康明斯針對這個課題已經(jīng)研究了一段時間,”在早期的實驗報告中，在理想環(huán)境下EPA2010發(fā)動機采用EGR系統(tǒng)后燃油經(jīng)濟性得到了7.4%以上的提升，“但仍有上升空間。”

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