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全球汽車發(fā)動機主流技術觀察

2016-12-30   來源:潤滑油情報

摘要:直噴、增壓、可變氣門、廢氣再循環(huán)等已經成為全球發(fā)動機市場主流技術。同時,全球先進發(fā)動機技術應用趨同性變化明顯....


    直噴、增壓、可變氣門、廢氣再循環(huán)等已經成為全球發(fā)動機市場主流技術。同時,全球先進發(fā)動機技術應用趨同性變化明顯。

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汽油直噴(GDI)成主流

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汽油缸內直噴(GDI)使噴油控制更靈活,有利于提高壓縮比和實現(xiàn)稀燃,技術優(yōu)勢明顯。

 噴油器側置GDI已得到普遍應用,大眾等歐洲公司引導了該技術發(fā)展潮流,繼而美國,近幾年日本也大量采用,中國近年來已有多款自主開發(fā)的GDI發(fā)動機量產。

 歐美日三大板塊新車中的GDI汽油機占比快速提高,2015年是2009年的3-4倍,尤其歐洲占比已達75%,中國在2015年GDI占比也超過25%。

中置噴油器在歐洲大量應用

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歐洲中置GDI技術應用情況

噴油器中置GDI系統(tǒng),具有改善爆震、降低碳煙和機油稀釋等優(yōu)勢,但也存在噴嘴安裝空間緊張,容易積碳導致耐久性不好,比側置GDI設計制造難度更大等問題。

2010年戴姆勒公司開始產業(yè)化,2014年歐洲新開發(fā)的汽油機全部為中置GDI,目前美國和日本尚未使用。

GDI+PFI雙噴油系統(tǒng)技術領先

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GDI+PFI的雙噴系統(tǒng),兼有兩者的優(yōu)點,在不同工作條件下切換使用,PFI噴射主要用于冷啟動和中小負荷,GDI主要用于中高負荷及要求多次噴射的工況。

雙噴系統(tǒng)具有組織燃燒更靈活、控制爆震、抑制冷啟動時的碳煙排放等優(yōu)勢,而成本增加不多。目前采用雙噴射系統(tǒng)的有豐田公司和奧迪公司。

基于直噴+增壓的汽油機小排量化發(fā)展

以直噴+增壓為核心內容的小排量化(Down Sizing)顯著提高了汽油機的熱效率和動力性,升功率超過100kW,升轉矩超過200Nm的汽油機已不鮮見。

2015年,歐美日新開發(fā)汽油機中采用【GDI+T】 技術占比為75%-100%。

2015年,日本新開發(fā)的7款發(fā)動機中6款是【GDI+T】(另一款是HEV專用發(fā)動機),表明日本的思路在近兩年中有重大變化,也跟進了小排量化潮流。

提高壓縮比

國際上已有多家公司實現(xiàn)高壓縮比:非增壓12-13,增壓≥10.5。提高壓縮比和增壓小排量,都使燃燒室內的能量密度成倍增高,導致“超級爆震”發(fā)生,其機理尚未完全搞清。這也是當今小排量汽油機研發(fā)難點。清華大學研究表明,超級爆震現(xiàn)象有可能由“敲缸”進入了“爆震燃燒”,即“Knocking”變?yōu)?ldquo;Detonation”。

高滾流比及高速燃燒的應用

提高進氣滾流強度可以加速宏觀的油氣混合,并在壓縮終了轉變?yōu)楦邚娡牧,以加速火焰(zhèn)鞑。高速燃燒在抵消稀燃和EGR等帶來的燃燒不穩(wěn)定問題同時,可提高燃燒效率和熱功轉換效率。

米勒/阿特金森循環(huán)日企應用廣泛

米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)的原理相似,都是以膨脹比大于壓縮比的原理來提高指示熱效率。最先由豐田公司和本田公司用于混合動力專用發(fā)動機,后在日本普通汽油車上也開始使用。2014年日本新開發(fā)的10款發(fā)動機(非HEV)中有6款用阿特金森循環(huán)技術,歐美尚未見使用。

自動啟停技術(Start-Stop)全面普及

啟停技術,即汽車停駛和怠速時停止發(fā)動機運轉,汽車起步時快速啟動發(fā)動機進入工作狀態(tài)。啟停技術的節(jié)油效果一般在5%左右。

EGR廢氣再循環(huán)大量應用

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EGR系統(tǒng)

EGR原本是用于減低NOx排放,但在汽油機上使用可降低泵氣損失,進而改善中低負荷油耗,冷卻EGR還兼有中高負荷控制爆震和降低排溫的作用。2014年,日本新生產的10款車用汽油機中有6款采用了冷卻EGR技術。

稀釋稀燃可降低發(fā)動機中小負荷油耗

清華大學在2010年提出了稀釋稀燃=空氣稀燃+廢氣稀釋的思路,Lean Dilution Combustion,綜合一代和二代GDI優(yōu)點。其具有三種效果:體積稀釋、密度稀釋、活性稀釋。試驗證明可以改善油耗7%~8%,同時降低NOx排放。 如果有更好的GDI發(fā)動機、更強的點火系統(tǒng),稀燃范圍可進一步擴大,節(jié)油效果會更好。

基于低溫壓燃的高效發(fā)動機技術路線

沿用“火花點火,火焰?zhèn)鞑?rdquo;燃燒方式,汽油機要實現(xiàn)50%的熱效率有很大難度。
 “均質壓燃HCCI”可使汽油機熱效率大幅提高,在進行了十幾年的基礎研究后,目前面向產業(yè)化的研究仍在進行中。中國研究者在第三期973計劃研究中,從燃料與燃燒融合入手,走“低溫壓燃”技術路線,以期實現(xiàn)高效低排放內燃機目標。

可變機油泵和冷卻水泵

電控水泵和電控機油泵可以根據發(fā)動機工況合理改變其壓力或流量,降低附件耗功,提高機械效率,可分別降低整車油耗1%-1.5%。

近幾年來,電控水泵和機油泵的應用明顯加快,從2013年僅在歐洲2個公司的產品上應用,到2014年發(fā)展到歐美日共6家公司應用,其中3家公司同時采用電控水泵和電控機油泵。

未來30年內燃機仍是汽車的最主要動力系統(tǒng),車用汽油機的熱效率有可能在2020年左右達到50%,而柴油機將會更高,內燃機在節(jié)能減排方面將更具優(yōu)勢。汽車發(fā)動機產業(yè)作為先進制造業(yè)的代表,技術含金量非常高,它是體現(xiàn)綜合競爭力的標志性產業(yè),將是我國制造業(yè)、汽車產業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新驅動、轉型升級、由大變強的主戰(zhàn)場。

五缸發(fā)動機的兩難

主流發(fā)動機汽缸數,一般是四缸或者六缸,隨著小排量渦輪增壓發(fā)動機的普及,三缸也變得越來越多。要是在美國,八缸很常見,超跑甚至十缸、十二缸都有。

而五缸發(fā)動機,在歷史上面卻一直默默無聞,只在個別幾個品牌上用到,有點像打醬油的角色,五缸發(fā)動機為什么就不火呢?

理論角度講,發(fā)動機缸數越多,氣缸之間做功就會發(fā)生重疊,點火間隙時間越短,產生的振動就能抵消一部分,所以震動和噪音相對也會更少。因此,五缸發(fā)動機在震動和噪音抑制方面會比四缸更有優(yōu)勢。

多一個氣缸,更容易增加排量,對動力性能的提升也有一定的幫助。從這兩點來看,五缸發(fā)動機更容易制造出高級感,所以,以前裝備五缸發(fā)動機的通常都在豪華車里面。

當然,五缸發(fā)動機相比于四缸和六缸的優(yōu)勢,其實也并不明顯。由于比四缸發(fā)動機多一個氣缸,它的制造成本也會增加,零件也會增多,保養(yǎng)成本以及油耗都會更高。

想要震動和噪音更小,以當今的技術,四缸發(fā)動機可以通過增加平衡軸去抵消震動,絕對比五缸發(fā)動機要省(各方面來說都是如此)。而相比六缸發(fā)動機,五缸發(fā)動機在震動和噪音抑制還是比不上它。

既然制造、保養(yǎng)成本都比較高,干脆一不做二不休,直接上六缸反而是更好的選擇,而且六缸發(fā)動機的動力相對也會更加好,也更能顯示出高級感,更適合裝備在豪華車上。就因為這種高不成低不就的尷尬,導致五缸發(fā)動機才一直都火不起來。

不過,也有一些比較固執(zhí)的品牌依然使用五缸發(fā)動機,比如像奧迪和沃爾沃,它們到現(xiàn)在還保留有五缸的發(fā)動機。

奧迪的五缸發(fā)動機已經轉變?yōu)楦咝阅艿南笳,它主要用在RS3和TT RS上面,2.5升的排量,還有渦輪增壓。其實,奧迪過去一直都有五缸發(fā)動機,奧迪100曾經也搭載五缸發(fā)動機。

沃爾沃的五缸發(fā)動機也很著名,過去的T5、T6發(fā)動機甚至是它們的主力發(fā)動機。但是,隨著發(fā)動機小排量化逐漸成為潮流,沃爾沃也開始用萬能的2.0T發(fā)動機取代T5、T6發(fā)動機。

堅持的確可以成為一種特色,但面對世界的大潮流,想要生存下去,也只能作出妥協(xié)。


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