利用气缸盖与进气歧管集成实现动力装置小型化和轻量化的模拟研究

商用车发动机要实现下一代严格排放与燃油经济性的目标,需要对内燃机的各个方面进行严格优化。从本质上来说,内燃机的效率是非常低的,效率范围仅为18%~40%。该效率范围是摩擦损失、泵气损失和废热共同作用的结果。目前,全球的汽车制造商都在通过各种途径努力解决这些问题,以期提高效率。其主要发展趋势是在更小的空间获得更高的功率,即发动机小型化,以及由此带来的发动机轻量化。设备制造商(OEM)正在挑战极限,使每升燃油行驶更多里程。从排放角度考虑,针对平均质量为1500kg的车辆,预计质量每减少50kg,百公里CO2排放会减少4~5g。OEM重点关注的动力装置减重领域主要包括发动机、传动系统、排气系统、燃油系统、壳体、电池和电机。VE商用车有限公司(VECV)动力装置小组已经针对轻型商用车进行了研究,通过集成铝质气缸盖和进气歧管,可使动力装置质量减少约25kg,百公里CO2排放减少约2g。在最恶劣的发动机负荷条件下,新型集成铝气缸盖-进气歧管结构要获得与现有经过验证的铸铁气缸盖和进气歧管相同的刚度。采用有限元结构模拟以与项目时间计划保持一致(气缸盖-进气歧管集成化结构的设计与开发时间),考虑了所有结构负荷,例如干扰、螺栓预负荷、温度、峰值压力等,比较了新型集成化结构与经过验证的气缸盖和进气歧管的刚度结果。通过采用铝气缸盖-进气歧管集成化设计,预估成本最高可节约30%,质量减少40%,疲劳性能改善达25%~30%。在该研究中,分别采用Hypermesh和ANSYS作为预处理器和有限元解算器。有限元模拟工具有助于在设计过程中选择最为合适的参数,并且确保在开发阶段实现首次准确设计。

应对未来挑战的柴油机技术进展

满足新验证循环确定的欧6d排放法规和实际驾驶排放循环的要求是乘用车内燃机面临的一项巨大挑战。由于柴油机具有良好的低燃油耗特性,因此,其在完成欧洲_20_20CO_2车队排放目标方面能够起到重要作用,但是,需要使其在极端工况条件下也能够完全控制氮氧化物(NO_x)排放的能力,同时限制整机成本和复杂度。减少CO_2和NO_x排放被认为是柴油机发展的主要驱动力。在这种背景下,排气后处理系统和燃烧系统就是未来开发的两个主要技术领域。介绍这两种技术的发展过程以及到目前为止NO_x的减排结果。开发了一种能够预测柴油机燃烧进展及其主要特性的方法。模拟分析了各种燃烧室和喷油系统,然后选择那些最具潜力的结构和系统在发动机试验台上进行测试。以NO_x存储催化转化器(NSC)和柴油机颗粒捕集器(DPF)为基础,开发了一种将选择性催化还原(SCR)安装到捕集器紧耦合位置上的新型后处理系统(SCRF),即将SCR与DPF集成到1个独立组件上。先进燃烧系统与高效SCRF后处理系统组合表明了柴油机在降低燃油耗同时保持极低NO_x排放水平的潜力。

250MPa喷油压力对轻型柴油机喷油器几何结构的影响

研究了在250MPa喷油压力下轻型柴油机喷油器喷嘴几何结构对燃油耗和废气排放特性的影响。试验中采用的发动机是1台排量为0.4L的单缸压燃式发动机。柴油燃料喷射装置在250MPa喷油压力条件下工作。分别比较了具有8、9和10个喷孔的3种喷油器。随喷油器喷孔数的增加,喷孔直径缩小,由105μm减小至95μm,点火延迟缩短。在不采用废气再循环(EGR)的条件下,具有多喷孔数的喷油器颗粒物(PM)排放更少。该结果表明,小喷孔直径改善了燃油雾化效果,燃油喷雾面积与大喷孔数喷油器保持相同。尽管如此,这三种喷油器在更高EGR率和更高喷油压力下的氮氧化物(NOx)和PM折中关系类似。高喷油压力对减少PM排放效果最为明显,而在这些条件下,喷孔几何结构对PM排放几乎不产生影响。在这种条件下,更大喷孔直径导致的喷雾贯穿距离增大也有助于减少PM排放。由于这三种喷油器具有相同的燃油体积流量和类似的缸内压力轨迹,因此,其指示燃油消耗率均处于相同的水平。另外,在采用相同喷孔直径(95μm)条件下,验证了8孔和10孔喷油器喷孔数的影响。喷油速率越高,喷雾次数越多,喷孔数由8增至10,燃油耗越低,PM排放越少。试验结果为车用发动机喷油器喷嘴喷孔数和喷孔直径优化设计提供了参考标准。

发动机降速对排放与燃油经济性的影响

发动机降速在国际市场的多个领域发展迅速。利用发动机降速能够提高效率的优势,原始设备制造商已经开发了大量降速发动机产品。发动机在低转速范围内运行具有很多优势,其最显著的优势就是能降低燃油耗。因为发动机能够在其最佳效率范围内运行更多时间。通过采用降速措施,发动机能以低转速和大扭矩状态运行。对于输出相同的功率,发动机能承受更高的单位负载,从而提高效率,降低燃油耗。燃油效率提高的因素包括由于活塞速度降低导致发动机摩擦减小、相对传热减少,以及热效率提高。由于对进一步提高内燃机效率及减少排放的要求日益提高,因此,该试验研究尝试研究轻型商用车降速。具体的性能与排放试验结果表明,通过大量试验研究,分析了3. 77L试验发动机不同参数对发动机额定转速降低的影响。

插电式混合动力车辆冷却系统模拟新方法

针对2025年款车辆,美国环保署(EPA)2017—2025法规已经将公司平均燃油经济性(CAFE)的要求提高了33%。与之类似,欧盟也制订了与CO2减排有关的目标,要求2021年后面世车辆的CO2排放减少27%(相较于2015年目标)。这些排放限制使大多数原始设备制造商(OEM)的注意力转向了混合动力电动车辆。很多汽车制造商已经基于现有车型开始研究插电式混合动力车辆(PHEV)。相较于通过内燃机驱动的车辆,混合动力电动车辆具有更低的排放和更高的燃油经济性。除传统冷却液消耗组件外,PHEV车辆结构还包含额外的电气组件。所有这些附加组件对冷却液流量的需求在实现高效运行和冷却液流量平衡方面极具挑战性。当前研究的主要工作是在一维环境中利用FloMASTER■软件模拟PHEV冷却系统,实现车辆内所有冷却液消耗组件的流量分布可视化。利用现有车辆试验数据验证了一维冷却液网络。为模拟实际驾驶条件,还采用标准测试循环进行了瞬态模拟。试验数据与试验值关联性良好,且偏差不超过10%。

气缸盖材料热疲劳试验台的开发

为比较不同气缸盖材料在实际循环热负荷条件下的疲劳特性,开发了1套用于进行热疲劳分析的新型试样设计与试验系统。采用有限元分析对试样几何结构和热循环进行了优化。利用高频感应加热器对热疲劳试样的哑铃形截面进行了局部加热,并利用压缩空气对其进行了冷却。然后,利用试样范围内产生的非均匀热梯度内部诱导产生机械应变,从而精确模拟气缸盖内气阀桥在实际工况下的运行情况。所得到的疲劳寿命不仅与合金固有的抗疲劳强度有关,而且还与导热系数、弹性模量和热膨胀系数等其他相关属性有关。该试验是比较不同合金热疲劳应用的必要工具。为了研究组成变化及热处理对热机性能的影响,对4种铝合金进行了测试,并对该试验方法及其结果进行了详细介绍。

采用高导热碳化硅蜂窝结构的先进非旁通废热回收系统的开发

废热回收(EHR)系统是改善燃油经济性和车内舒适性的有效且充满吸引力的方法之一,对于冬季的混合动力汽车尤为如此。多数传统旁通系统的热执行器都含有旁通管和旁通阀,从而导致EHR系统的体积和质量都较大。在有效改善EHR系统废热回收性能的同时,必须使系统的尺寸和质量最小化。非旁通系统回收来自废气的热量,对其废热回收性能进行设置,以确保在高发动机负荷下不超过散热器的冷却能力,从而防止整车动力系统过热。对于非旁通系统来说,在高发动机负荷或高冷却液温度条件下,减少回收热量及在低发动机负荷或低冷却液温度条件下增加回收热量是必不可少的。提出了一种能取代原有旁通阀机构的先进非旁通EHR系统,该系统采用的是能根据冷却液温度或发动机负荷自动限制回收热量的双层冷却液通道结构,可实现发动机预热阶段的有效废热回收及高发动机负荷或高冷却液温度条件下的有效散热。介绍了该先进非旁通EHR系统的基本结构。试验结果表明,该系统在冷起动阶段具有良好的废热回收性能,在发动机高负荷下具有良好的散热性能。

可实现实际节油的前端附件带传动系统

由于泵气损失、机械摩擦损失和前端附件功率消耗等原因,发动机的指示扭矩无法完全传递给车轮。前端附件带传动系统(FEAD)对空调压缩机、交流发电机和动力转向泵等各种附件进行供油和控制,属于功率消耗装置。在实际驾驶条件下,标准燃油经济性试验并未考虑附件驱动力矩,仅将其作为5循环修正系数。因此,研究改善前端附件传动系统仍具有重要意义,对于空调压缩机和交流电机尤为如此。该研究有两个目的:一是定量测量FEAD系统的驱动力矩数值以评价附件产生的损失;二是利用评价标准设计一种能够有效减小FEAD系统摩擦的措施。为了确定所提方案是否值得开发,对FEAD系统的基本特性进行了研究。为使2.0L柴油机FEAD系统的驱动力矩最小化,设计了多种方法。在实际驾驶条件下,测量广泛采用了附件负荷控制器和温控箱。对FEAD系统进行改造,如优化多楔带、惰轮、张紧轮和附件等,驱动力矩得以显著减小。因此,这是一种在联邦测试循环(FTP)、欧洲新驾驶循环(NEDC)和实际驾驶排放(RDE)试验等标准试验模式下改善车辆燃油经济性的重要措施。

轻度混合动力传动系统的未来

介绍一种创新型轻度混合动力传动结构,并阐述在传动系统上添加电机、引入自由飞轮机构所带来的变化。设计与仿真结果表明,传动系统上的混合动力元件能够增大基于发动机的12V轻度混合动力系统的效率,特别是针对小型乘用车。此外,由于引入了自由飞轮机构,该结构又增加了一些能够匹配其成本的理想特性和功能,验证了其中的一些功能,实现更加宽广工况范围内的动力混合化,帮助整车制造商极大减少整车的CO2排放。模拟结果表明,这种系统在标准驾驶循环上的能量存储需求恰好处于12V电池组的容量范围内,如果无法正确处理12V电机的峰值功率限制,会导致驾驶精度和驾驶安全性问题。研究了设计电气系统以解决这些限制问题,并综述了对传动设计和控制的影响。