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康明斯欲将重型柴油发动机效率提升至55%

2016-01-18 放大字体  缩小字体
  在美国高速公路上常看到的重型牵引卡车,其燃油经济性非常低,油耗通常高达5.8mpg(40.5 L/100km)。一项由美国能源部支持的先进技术——康明斯-彼德比尔特超级卡车项目(Cummins– Peterbilt SuperTruck)却在去年的测试中其油耗数值仅为10.7mpg (21.98L/100km)为常规车的一半。如果所有的重型卡车的油耗能向超级卡车靠拢,那全美每年可以节省近3亿桶燃油,相当于节约150亿美元,每辆8级货卡每年可以节省1万美元的燃油开支。

  尽管半拖挂卡车仅占全美汽车总量的4%,但却烧掉了大约20%的燃油,因此提卡车的燃油经济性能够显著减少CO2的排放量。

  该原型车是由康明斯-彼德比尔特公司为SuperTruck项目的开始,该项目为政府与行业间的合作项目,耗资7800万美元研发周期长达4年,旨在研发下一代低油耗高效的柴油半拖挂卡车。美国能源部希望能进一步提升发动机系统的效能正着力推进后续项目。

  Wayne Eckerle,自称“燃烧小子”,康明斯集团研发科技副总裁表示,“Super Truck项目融汇了我们将过去研究的数项先进发动机技术并得了可行性验证,让我们受益良多。”

  SuperTruck的动力系统达到了美国能源部所设定的目标,发动机系统峰值制动热效率达到50%。Eckerle表示:“达到50%相当不容易,现在的柴油机大约只能达到43%。”

  作为全美唯一的独立柴油发动机制造商,能源部将在2年内拨款450万美元资助康明斯,希望将热效率在现在基础上再提升5个百分点至55%。Eckerle表示,“我们的目标证明是在真实的工作环境下,效率还有进一步提升的空间,我们会借助SuperTruck项目的成果作进一步的研究工作。”

  根据美国能源部的资料显示,该《重型发动机使能技术项目》是由康明斯与政府间平摊经费的研究项目,旨在“通过Super Truck项目投资,促进柴油发动机的设计、分析、研发工作,实现发动机系统峰值热效率提升至55%制动热效率(BTE)高效柴油发动机的研发工作,并高度整合燃烧/后处理系统。”

  “要想实现55%制动热效率(BTE)并没有什么特效药,”Lyle Kocher,康明斯先进系统集成技术顾问,兼柴油机55BTE项目首席研究员提醒道,“既要提高燃油经济性,但又要符合排放的相关法规,我们必须多管齐下。”

  康明斯团队计划采用新方法来微调燃油燃烧过程、优化燃油与空气处理系统、改进排放系统、减少发动机主体与涡轮增压器的寄生损失、并增加底循环来回收废热。

  改善燃烧

  Kocher通过观察后认为,改善燃油过程或将是提高整体效率的关键之所在。燃料的燃烧过程非常复杂,燃料在柴油发动机内的燃烧过程中,伴随着2,000次同时或连续发生的化学反应。据报道,为了优化柴油机的燃烧模型,康明斯每年都在商用计算机代码的授权许可上就要花掉100多万美元。

  Kocher表示,研发团队使用了多种先进燃烧策略来优化热释放率,在降低氮氧化碳物的排放量的同时保持低温燃烧,但在效率与排放之间我们必须要有所取舍。

  “我们希望尽可能的缩短燃烧时间来减少传热损失”,Kocher说,“特别是控制燃烧曲线的形态,我们希望延长燃烧进程的前半段,缩短后半程。此外,我们还希望通过隔热涂层和其他方式来降低在气缸内的热损耗。”

  与其他的柴油发动机一样,55%BTE发动机从少油燃烧点火循环开始提升燃油经济性,并通过低速运行降低机械损耗,提高压缩比、在稀释燃油条件下的燃烧率,摒弃节气门,通过优化空气-燃油比控制系统进气避免泵送损失,以此来提柴油的燃烧效率。

  Echerle补充道,“在达成这一目标的同时,工程师还必须注意峰值缸压,并避免产生噪音。”

  除了采用更高的喷射压力、更精准的雾化控制及多次喷射等最新燃油喷射技术外,更灵活的阀门控制、优化发动机的换气也是提高动力系统效率的关键之所在。“气缸无论是在进气还是排气时效能都会有所损失,”Eckerle强调到,“我们必须尽可能的减少此类泵损失。”

  这台原型发动机主要利用废气再循环装置(EGR)来降低燃烧温度,Kocher表示“通过EGR来降低温度控制NOx的排放是其最重要的方法”,此外它还能用来辅助控制泵损失。

  提升涡轮增压效率

  “我们使用涡轮增压器来将效率最大化,”Kocher表示。“相较于低压,高压发动机的运行更高效。”涡轮增压不仅能提升功率密度,而且还能回收部分废气余热。

  为了使涡轮增压器更高效,康明斯正打算缩小其叶片和外罩间的缝,“我利用完整的计算流体力学与反应分析以及仿真技术优势,来针对涡轮在循环的瞬态条件下气流的脉动情况进行建模。”

  “在过去,其实也不过就是3年前,我们还做不到这一点”,Kocher说。了解压力系数和其他细节信息后,“我们可以更好地设计涡轮增压器的架构。我们对整体设计进行了优化,充分利用每个循环过程中的气流脉动,在此之前都些都被忽略了。”

  为了尽可能降低热能损失并提升整体功率,发动机系统设计中还应考虑相应的冷却方案,可变气流冷却泵可以解决寄生泵损失的问题。同时,能过采用涂层及其他技术来减少能量输送过程中所产生的不可避免的摩擦损耗。

  余热回收

  柴油机55BTE团队计划采用有机朗肯循环(ORC)系统,回收EGR系统、尾气中余热,并将其转换成有用的能量。该系统包括热交换器、载热冷媒、扩展器、泵以及冷凝器,将直接通过涡轮扩展器与发动机进行机械耦合。

  余热回收系统将作为发动机的底循环。Eckerle表示,“康明斯针对这个课题已经研究了一段时间,”在早期的实验报告中,在理想环境下EPA2010发动机采用EGR系统后燃油经济性得到了7.4%以上的提升,“但仍有上升空间。”

  最后,研究团队还希望将尾气后处理系统与发动机紧密耦合,尽可能避免热量损失。Kocher表示他很期待迎接这一挑战。
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