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影响柴油发动机效率的4项技术
传统的柴油发动机
1、发动机小型化
小型化指降低发动机的排量,但是输出功率不变。排量降低的目标是超过10%,换算成提高燃油效率提高1%至4%,小型化发动机更适合应用于较小的非公路设备上,在某些设备中,降速控制也是一种可能,以实现效率的提高。例如,只要把发动机的转速下降200转,就可能带来1%至3%的燃料经济性的改善。
增加缸压是另一个可行的做法,但这要求燃料的压缩比将同步提高,且缸体缸盖的强度也将增大。目前,技术研究方向已经超向新材料的方向而努力,石墨铸铁(Compacted graphite)是一种较新的材料,可以提供较强的受压能力,和较轻的重量。
第三个研究方向是缸内的燃料喷射和空气混合。燃料压力不断增加,改善燃料输送和燃烧,这会带来更高的性能和减少排放。
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为了提高燃烧效率,缸内的活塞设计也被重新提上日程。例如Ricardo's Twin Vortex Combustion System (TVCS),这技术的核心是燃料喷射分为上下部燃烧,以更好地管理空燃比,减少烟尘。这会带来较低的发动机排放和更好的燃料效率。
2、余热回收
废热转换和余热回收是另外的一个研究方向。大约50%的发动机产生的能量是废热,而这其中又有一半的热能被浪费(即总能量的25%)。从这个角度来看,余热回收可利用的空间是大。
目前能量回收有两个主要的方法:直接和间接。直接法通过使用热电发电机(TEG)把废热转换为电能。TEG的工作原理是:暴露于高温中的不同金属之间产生电压,这类似于一个热电偶会产生电能。是终,TEG所产生的电力可以作用于发动机曲轴,从而弥补发动机内部机械传动消耗的动力,如还有多余的电力可以储存起来用于他处。
间接方法利是常见的是兰金循环,原理是使用废热来产生蒸汽,再利用蒸汽带来的动能发电,预计到2020年,这种装置将提高燃油效率超过7.5%。
这些技术达到商业化的两个是大挑战是提高效率和降低成本。眼下,热电发生器的工作成本约为$ 3,000 /千瓦,但目标是<$ 1,000 /千瓦(译者注:这些都是美元,换算成人民币为18000元人民币/千瓦和6000元人民币/千瓦)此外,该系统的效率还取决于发动机的工作循环(排气温度)。虽然如此,技术人员仍在积是的寻求解决方案,用较低的材料和成本、体积来实现热电转换。
3、可变气门技术
可变气门驱动(VVA)是一个类似于汽车发动机上的技术,更多的应用于大型柴油发动机上。与其他技术如断缸比,可变气门技术可以更轻易的实现增大燃油效率,提高低转速下的扭矩输出。目前,这一技术正在被重点研究。
4、闭环燃烧控制
闭环燃烧控制的概念是实时监控整个燃烧的过程。这要求从燃料注入就开始控制,包括燃料注入的策略,缸内压力的调整等。有数据表明:闭环控制可以比传统意义上的开环控制提高2%-4%的燃烧效率。
然而,闭环控制带来的是系统复杂性的增加,这会带来稳定性的隐患,例如传感器必须深入到气缸内部去探查压力和温度,还必须能够快速的处理数据,这还意味着成本的增加。不过,闭环控制技术已经在汽车发动机上很好的证明其效果,因此,未来,重型柴油发动机技术方向上,这势必也是一个无法绕过的方向。
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