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轿车燃油效率：技术与趋势2015
技术的发展
引擎提高内燃机的效率(ICE)允许使用较小容量引擎,提供类似的性能大的前驱,但减少燃料消耗。减少车辆的重量,这进一步提高燃油经济性。为了提高效率,使引擎缩小,各种各样的技术市场占有率不断上升,而新方法正在成为密集的研发投资的结果。
通过混合燃料效率还可以提高系统检索动能和存储补充推进。此外,冰的操作可以被修改以节省燃料,如车辆静止时就关机或绝大部分气缸全功率不是必需的。
除了这些发展完善,扩展或补充的操作传统的冰,发明家和科学家继续开发新的燃烧过程和偏离传统的发动机设计,包括变量的内部几何构型和一些非常激进的概念。
增压
增压,无论是机械、电或(涡轮增压),使引擎减重的同时保持高水平的性能。福特,例如,最近推出了EcoBoost一系列结合缸内直喷汽油发动机,涡轮增压,使的V8引擎,取而代之的是V6等效功率输出。福特声称EcoBoost发动机提供20%的改善燃油经济性,无论行驶循环。
比涡轮增压器Mechanically-driven增压器效率较低,因为他们直接从发动机抽运功率而涡轮增压器是由废气的能量,否则会被浪费。
然而,增压器的优势没有表现出瞬态响应延迟(滞后)与涡轮增压器。两个系统被迫增加燃料发动机提供额外的力量,但他们也会增加释放热量和引擎必须相应设计。
往往有较低的限制使用增压或涡轮增压,因为较小的车辆部分已经倾向于使用小型发动机往往是针对生产预算紧缩。此外,小型涡轮增压器往往效率较低,规模较小的发动机缸越小。使用三缸配置可以帮助保持缸效率,但本质上差平衡和振动在低发动机速度往往限制它的受欢迎程度。
应延迟,而涡轮增压器进入有效的操作,尽管后者问题在一定程度上缓解了缸内直喷等技术。解决这些问题的方法包括两级或复合涡轮增压,可变几何涡轮增压器,增压器的涡轮增压器和电动给增压器的使用有或没有一个exhaust-powered涡轮增压器。
两级涡轮增压的使用涉及两个涡轮增压器与功能优化设计在两个不同的发动机转速范围,发动机转速与一个主要增加转矩输出低,另增加电力引擎速度更高。可变几何涡轮增压器(VGT)涡轮增压器的几何适应优化其功能在整个发动机转速范围虽然技术大幅提高了排气温度,要求使用昂贵的专用材料。然而,VGTs已经使用自1990年代以来,目前常见的大的柴油发动机。
博格华纳2007年12月,宣布其监管相结合两级涡轮增压器技术与国际的VGT PowerStroke 6.4升柴油发动机。越小,高压涡轮增压器发动机转速响应在低而大,低压单元提供了添加提高速度更高的引擎。高压涡轮增压器使用电驱动不同的几何涡轮的叶片进一步系统适应发动机的工作状态。
增压器的组合提供了在低发动机转速和转矩高发动机涡轮增压器来增加力量速度已经被大众成功应用在1.4 TSI发动机用于高尔夫GT,捷达和便利模型。1.4 TSI产生170马力(125千瓦)在6000 rpm和维护177磅。英尺的扭矩从1750转到4000转。这种级别的输出超过公司的2.0升normally-aspirated汽油发动机和相当于2.0升涡轮增压柴油单位。
电动给增压器可以增加1.2升发动机的扭矩输出,例如,高达40%的1000 rpm - 4000 rpm范围,使裁员约30%和交付燃油经济性收益约为1%。进一步减少能源需求的技术要求只有10%的时间,尽管它的地方要求电力系统操作和电子管理时必须确保增压器不利用不当。拟议中的转向36/42-volt电气架构将缓解,但目前的操作在一个传统的例子12/14-volt系统提供电池的深循环类型。
2008年5月,安东诺夫推出生产版本的方法使用双速齿轮箱两级增压。安东诺夫宣称其系统能够更好的匹配的增压器引擎通过操作在更高的速度,当发动机处于低速模式,发动机在低速旋转得更快。公司称,该系统可以使引擎裁员25%至25%,同时保持性能和驾驶性能,并指出,齿轮传动的增压器的使用避免了热量与涡轮增压器相关问题。
在汽车应用程序,第一个可变气门正时(VVT)系统是由菲亚特在1960年代末,用液压的支点位置不同凸轮的追随者。第一个生产汽车VVT是1980年阿尔法罗密欧蜘蛛2.0 L,以改变气门正时的机械系统。日产(Nissan)开发了一个电子控制VVT系统,第一次使用它在生产1987 300锆。
本田推出VTEC(可变气门正时和提升电子控制)系统在1989年日本市场思域,CRX和Integra模型。VTEC系统使用两个不同的凸轮轮廓,其中之一是设计运行在低发动机速度和提供良好的操纵性能,低油耗和低排放,而另一进入发动机在高速度增加功率输出。i-VTEC系统技术进步的推进和制动凸轮轴正时为了增加或减少阀门重叠分别提高高和低发动机转速性能。
本田使用i-VTEC使气缸失活的V6引擎通过关闭阀门在一个银行的三个气缸在低功率需求操作。在另一个变化,公司的VTEC-E系统使用VTEC关闭进气阀以操作引擎之一稀模式。
1992年,宝马推出VANOS(变量Nockenwellen Steuerung)系统,它提供了三种范围的进气凸轮的时机,和双VANOS系统提供电子,continuously-varied凸轮轴正时,在1998年。公司遵循这些Valvetronic系统,可以改变进气气门升程以及时机。这使完整的进气控制通过阀控制,消除了传统节流的燃油系统和传统的泵损失限制汽油冰。宝马声称消除泵损失导致增加10%的电力和燃料经济。丰田Valvematic系统也不需要进气节流和该公司声称燃油效率的5%提高到5%。
所有主要的全球oem厂商现在雇佣VVT系统使用技术,如电子控制、可变凸轮轴正时和可变气门升程。市场渗透的快速。在美国,只有不到1%的汽车在1990年的技术。在1995年到1995年,10%的特色,比例已增至68%左右。在suv和皮卡,2000年特色VVT不到5%,但到2007年已升至50%。
而VVT系统显著提高冰性能的输出和燃料效率,下一波的阀门控制技术是camless,电磁控制使用螺线管开启和关闭阀门。这不仅使无限可变气门正时,它消除了机械的摩擦损失与凸轮操作阀门,压缩阀弹簧和驱动凸轮轴通过链或带。
法雷奥已经开发了camless系统,该公司声称可以提供20%的效率增益,和已经宣布,它已收到订单的系统,它将在2009年投入生产。其它的供应商也在开发类似的系统包括AVL,伊顿(使用Lotus技术),FEV,里卡多和Sturman。
camless,菲亚特已开发和专利电动液压阀驱动系统,该公司称MultiAir,并应用两缸,900 cc、燃油喷射、涡轮增压发动机,80马力(59千瓦)发展二氧化碳排放量为69克/公里,重20%不到的四缸引擎类似的功率输出。发动机设计模块化,使四个月、六个和八缸引擎的变体。两缸版本将在菲亚特的小型汽车从2010年推出。
燃油直喷技术
柴油发动机一直使用燃油直喷技术,通常压缩周期时间晚压缩产生的热量引起自燃的燃料和空气的混合物。喷射系统控制发动机燃料供给的数量,消除需要进气节流和避免损失。
高压的发展,高压共轨直喷系统使得燃油喷雾和改善注入控制与多个注入事件导致更好的燃烧,平滑功率输出,降低燃料消耗。这些进步导致柴油引擎执行相似的细化的汽油引擎,推动柴油的受欢迎程度稳步上升的水平。
汽油缸内直喷(GDI)函数类似,但需要注射压力要低得多——约200条(2900 psi)相比2900酒吧(29000 psi)正在与柴油高压共轨系统的实现,可以提高输出功率和燃油经济性高达15%。
GDI首次出现在1967年大众汽车应用程序1600 TL,曾经一个博世D-Jetronic系统,供应商发展的长期经验与缸内直喷系统的飞机制造业。到1972年,另一个17 oem厂商使用这项技术。在1976年,博世先进技术引入氧气控制,随着三效催化转换器,使低排放。
第二代GDI系统,博世的DI-Motronic等进一步提高燃油经济性。
GDI燃烧汽油直接喷射到气缸,提高燃料蒸发的冷却效果,使更高的压缩比,没有敲门的使用,提高低端扭矩和整体效率。
它还支持精益,分层燃烧(见下文),减少泵损失和增加效率。GDI喷油器通常使用多个喷雾的喷雾喷射使自定义设计模式以适应不同燃烧室形状,提高spray-guided燃烧。
两种主要方法注入技术是“直接驱动”和“伺服驱动”。直接系统采用压电陶瓷致动器直接把注射器针头而伺服驱动系统采用电磁或压电阀electro-hydraulically动作。直接系统可以提供一个3% - 4%的燃油经济性优势伺服系统,因为他们没有任何回流,减少泵的损失。
2008年5月,宣布了一项新的大陆直接驱动压电喷油器能提供7每周期和支承压力注射2000酒吧(29000 psi),声称它提供了一个进一步上涨3%,燃油效率以及减少有毒排放和更有效的再生颗粒过滤器通过有选择性的温度控制。
德尔菲预测,约40%的新欧洲汽油车将装有GDI系统到2010年。博世预计,大约14%的轿车和轻型商用车在北美在2015年将配备GDI。
米勒/阿特金森燃烧周期
冰最常见的汽油燃烧周期是四冲程奥托循环,输出功率往往提供良好的潜力没有压力感应,而替代品如米勒和阿特金森循环往往优化效率而不是产出和没有吸引了强劲的过去。
米勒循环与奥托循环的不同之处在于,打开进气阀保持20%到30%超出了活塞底部死点,这样的第一阶段压缩冲程部队燃料混合物退出进气阀,介绍什么是有时被认为是元素奥托四个周期的五分之一。这第五阶段减少电力损失压缩燃料混合物中效率最低的部分周期和费用的损失补偿通常是通过使用一个增压器,必须配置,然而,消耗更少的能量比救了通过使用短压缩阶段。
使用VVT提供可能利用米勒循环在操作条件提供优势同时切换到奥托循环有时。大陆和莲花工程为例,据报道使用凸轮轴定相,GDI和涡轮增压提高米勒循环操作在技术被应用在他们的Sabre项目。马自达的米勒循环使用KJ-ZEM V6发动机和2007年宣布没有增压器的米勒循环发动机的使用在小马自达2,这是通过使用(CVT)无级变速传动系统使发动机在最佳的工作范围。
最初的阿特金森循环设计使用曲轴配置使通常的四个奥托循环的一个革命,但不同扩张和压缩卷。最近,这个词已经被应用到米勒风格,四冲程设计中使用的一些混合动力汽车,因为它更高的效率,因为电力驱动可以弥补较低的功率输出。
分层充气燃烧
分层充气引擎,也称为“精益燃烧”引擎,在燃料注入汽缸的只有一个区域,或一个小舱顶部的气缸,使用丰富的混合物在小区域内启动点火过程的火焰前面穿过稀混合气在燃烧室的其余部分。燃油经济性收益一直声称自己是15%到20% non-stratified设计尽管福特spray-guided GDI和涡轮增压的研究发现,在低速周期获得10%到10%,指数在高速中很少获得恶化。
本田的复合涡控制燃烧(CVCC)引擎使用1970年代的一种分层充气技术的第三个进气阀提供丰富的燃料混合物的火花塞附近一个小空间分离其余的燃烧室的穿孔金属板。在1980年代,他(高效率)捷豹的V12引擎也使用分层充气设计为了降低引擎的高油耗。最近,几个主要的oem生产分层充气引擎。
本田最近分层充气引擎操作燃料比率高达22:1,而传统的汽油发动机理想需要一个14.7:1,化学计量的混合物。然而,本田发动机有限稀操作在轻负荷,降低引擎的速度。此外,与其他一样稀薄技术,高氧的比例和氮氧化物(NOx)废气减少传统的三效催化转换器的有效性为消除氮氧化物和额外的排气后处理技术是必需的。
最近发展的原则也可以不加调整地一直是梅里特火花点火发动机燃烧(音乐),它使用特别设计喷油器和一个单独的每个气缸燃烧室有内置的螺旋漩涡模式直接化学计量燃料混合物在火花塞和空气进入其他室。负载和速度控制实现在正常操作范围通过精确控制注入时机和持续时间。
音乐引擎已被证明是自我维持超过100:1压缩混合物,加上没有节流,结果获得20%的燃油经济性在传统的冰。然而,氮氧化物排放非常低,冷却效果的可能结果的高表面积螺旋室和空气的比例高。设计是有吸引力的,从生产的角度来看,修改汽缸的设计是用一种普通缸体——演示模型是基于生产福特2.0升四缸发动机。
分层充气原理被应用到柴油机通过使用间接注入燃料注入对的地方。这种方法允许更好的燃料和空气混合燃烧导致平滑,减少爆震虽然这些好处来降低10%的成本效率与缸内直喷柴油相比。
高压高压共轨的出现以来,缸内直喷系统,分层充气等不同的燃烧已应用于柴油发动机的燃油喷射系统提供多个注入事件与第一交货开始燃烧,在汽油发动机与spray-guided方法。这个生产更清洁、顺畅运行和更高的功率输出没有燃料经济的损失。
控制自动点火
控制自燃(CAI)汽油冰技术的点火过程启动整个燃烧室在多个站点而不是从火花点火(SI)。帮助创建一个稀混合气,并产生足够的热量负责要启用自动点火,废气回收到或者被困在燃烧室的额外热压缩产生自燃。这可以通过:
◆打开排气阀在进气冲程短暂。
◆打开进气阀一度在排气冲程。
◆提前关闭排气阀。
◆外部再循环废气吸入呼吸道,使冷却和更好地控制缸内压力和温度的上升。
CAI燃烧方法的理想和精确的混合控制的使用可以在或接近完全打开节流阀在低发动机负荷,实现能源效率高达45%。此外,蔡发生在低气体峰值温度,减少氮氧化物排放几乎完全。
CAI是目前可行的只在部分负载条件下,发动机必须转向SI敲阈值操作,在一些方法与“混合”SI-CAI燃烧阶段过渡。所有过渡方法目前正在评估需要复杂的协调油门,GDI,火花点火和可变气门正时和电梯系统。
均匀电荷压缩点火
均匀电荷压缩点火(HCCI)是一个有潜力的CAI类型对汽油和柴油发动机。在汽油的情
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