Влияние правил экономии топлива на стратегии R&D в цикле Отто

Регуляторный ландшафт двигателей внутреннего сгорания претерпел глубокие преобразования за последние несколько десятилетий. Топливная экономика и стандарты выбросов парниковых газов заставили автопроизводителей переосмыслить саму архитектуру почтенного двигателя цикла Отто. То, что когда-то было простым стремлением к лошадиным силам и крутящему моменту, превратилось в сложный баланс между эффективностью, выбросами, производительностью и стоимостью. По мере ужесточения мандатов в Северной Америке, Европе и Азии департаменты исследований и разработок переключили свое внимание на передовые стратегии сгорания, новые материалы и глубокую гибридизацию. В этой статье рассматривается, как правила экономии топлива изменили разработку двигателя цикла Отто, появившиеся технологии и стратегические дорожные карты, которые будут направлять отрасль через эру беспрецедентных изменений.

Понимание двигателя цикла Отто

Цикл Отто, названный в честь Николауса Отто, который запатентовал четырехтактный двигатель в 1876 году, остается доминирующим термодинамическим циклом для бензиновых двигателей малой мощности. В своей идеальной форме он состоит из четырех различных ударов: впуска, сжатия, расширения (мощности) и выхлопа. Цикл полагается на искровое воспламенение, чтобы инициировать горение вблизи верхнего мертвого центра, производя быстрое повышение давления, которое толкает поршень вниз. В то время как надежный и хорошо понятный традиционный цикл Отто ограничен фиксированными коэффициентами сжатия и расширения и значительными потерями накачки при частичной нагрузке, которые ограничивают его тепловую эффективность. Пик тормозной тепловой эффективности для бензиновых двигателей с естественным подачей воздуха плато около 35-38% в течение десятилетий, при этом большая часть энергии топлива теряется в тепло и трение.

Основы внутреннего сгорания диктуют, что увеличение коэффициента сжатия и снижение потерь дросселирования могут повысить эффективность. Однако тенденция бензина стучать при высокой температуре и давлении накладывает практический потолок. Кроме того, необходимость работать на широкой скорости и дальности нагрузки вынуждает идти на компромисс в отношении времени камеры, доставки топлива и ускорения. Автопроизводители исторически уделяли приоритетное внимание конкретной производительности и плавности, оставляя существенный прирост эффективности на столе просто потому, что рыночные требования и цены на топливо не вознаграждали экономию топлива. Этот расчет резко изменился, когда правительства начали навязывать юридически обязательные цели экономии топлива и CO2.

Регуляторный толчок для топливной экономики

США создали программу корпоративной средней топливной экономики (CAFE) в 1975 году, но первоначальные стандарты оставались относительно статическими в течение многих лет. К началу 2000-х годов сочетание проблем энергетической безопасности и растущего научного консенсуса по изменению климата стимулировало новую волну регулирования. Закон об энергетической независимости и безопасности 2007 года поднял цели CAFE до 35 миль на галлон к 2020 году, а последующие нормативные акты Национальной администрации безопасности дорожного движения (NHTSA) и Агентства по охране окружающей среды (EPA) установили все более агрессивные следы до 2026 года. Недавние правила требуют, чтобы флоты достигли примерно 49 миль на галлон в среднем к 2026 году в рамках реалистичных испытательных циклов, с дальнейшей жесткостью, предложенной до модельного года 2032. Окончательное правило EPA для проектов 2027-2032 годов, что электромобили с батарейным питанием могут составлять более двух третей новых продаж для удовлетворения средних стандартов парка, шаг, который ускорит поэтапный отказ от чистых двигателей внутреннего сгорания.

Между тем, Европейский союз принял обязательные целевые показатели выбросов CO2 для новых легковых автомобилей, с 2021 года средний показатель парка установлен на уровне 95 г CO2 / км, что эквивалентно примерно 57 миль на галлон для бензиновых транспортных средств. Цель 2030 года требует дальнейшего сокращения на 55 процентов от базового уровня 2021 года. Пакет FLT: 1 Европейской комиссии предлагает 100-процентный целевой показатель сокращения выбросов CO2 для новых автомобилей к 2035 году, фактически запрещая продажу новых транспортных средств с нулевым уровнем выбросов и оказывая огромное давление на дорожные карты исследований и разработок двигателей. Китай внедрил стандарты выбросов 6 в Китае и правила потребления топлива на этапе V, настаивая на 4,0 л / 100 км. Нормы Индии Bharat Stage VI и строгие целевые показатели экономии топлива в Японии в рамках подхода Top Runner добавляют дополнительное давление. Эти правила несут серьезные финансовые штрафы за несоблюдение, делая топливную экономию приоритетом зала заседаний. Кроме того, тестирование выбросов в реальном мире (RDE) и глобальная процедура испытаний гармонизированных легких транспортных средств (WLTP) закрыли разрыв между сертификацией и эффективностью на дорогах, заставляя инженеров обеспечивать повышение эффективности, которое

Как правила меняют дизайн двигателя

Уменьшение и турбонаддув

Наиболее заметным последствием регулирования экономии топлива стало широкое движение к уменьшенным турбированным двигателям. Замена большого естественно-аспирированного V6 на меньший четырехцилиндровый двигатель, оснащенный турбокомпрессором, уменьшает потери насоса при низкой нагрузке при сохранении приемлемой пиковой мощности за счет повышения. Современный 2,0-литровый турбированный двигатель может превышать выходной момент более старого 3,5-литрового V6 при обеспечении на 15-30% лучшей экономии топлива на регуляторных циклах. Турбонаддув позволяет инженерам управлять двигателем в более эффективной области его тормозной карты удельного расхода топлива во время испытательного цикла за счет уменьшения смещения и смещения рабочих точек в сторону более высокого тормозного среднего эффективного давления. Тенденция продолжается с трехцилиндровыми турбодвигателями, вытесняющими всего 1,0 до 1,5 л, демонстрируя, что уменьшение мощности больше не ограничивается усовершенствованием трансмиссии благодаря передовым балансирующим валам и активным креплениям двигателя. Более агрессивное сокращение, в сочетании с высоким повышением и турбокомпрессорами переменной геометрии, раздвигает пределы термической и

Прямая инъекция топлива и системы высокого давления

Бензиновый непосредственный впрыск (GDI) стал основной технологией для достижения целей экономии топлива. Путем впрыскивания топлива непосредственно в камеру сгорания скрытое тепло испарения охлаждает впускной заряд, подавляя детонацию и обеспечивая более высокие коэффициенты сжатия. GDI также обеспечивает точный учет расхода топлива и позволяет стратифицировать бережливую работу при легкой нагрузке, где расход топлива может быть уменьшен на 10-15 процентов по сравнению с впрыском в порт. Системное давление выросло со 150 бар в ранних двигателях GDI до 350 бар или более в последних конструкциях, улучшая атомизацию и сокращение выбросов твердых частиц. Многие производители оригинального оборудования (OEM) теперь сочетают прямой и впрыск в порт для оптимизации приготовления смеси и поддержания впускных клапанов в чистоте. Топливные насосы высокого давления, наконечники инжектора и электронные элементы управления эволюционировали для обработки чрезвычайной точности, хотя повышенные тепловые и механические нагрузки требуют тщательной инженерии. Некоторые исследовательские двигатели теперь работают на 500 бар для дальнейшего снижения образования сажи и повышения эффективности.

Переменное время клапана и подъем

Переменное время клапана (VVT) эволюционировало от простых фазеров кулачков до сложных систем, способных перемещаться между работой цикла Отто и Аткинсона. Цикл Аткинсона - где впускной клапан закрывается поздно, позволяя части впускного заряда отодвигаться обратно в впускной коллектор - снижает эффективное сжатие при сохранении полного хода расширения. Это дает большее отношение расширения, чем отношение сжатия, значительно повышая тепловую эффективность при частичной нагрузке. Двигатели, такие как серия Dynamic Force Toyota, достигают тепловой эффективности тормозов выше 40 процентов с использованием закрытия запоздалого впускного клапана и высокого статического коэффициента сжатия 13:1 или более. Электромеханическое приведение в действие клапана, как исследовал Koenigsegg под баннером Freevalve и исследовательскими программами на крупных OEM-производителях, может в конечном итоге полностью устранить ограничение фиксированных долей кулачков, предлагая полностью переменный подъем и время на каждом ходу. Такие системы также позволяют деактивировать цилиндр без сложных механических связей, и они позволяют бесконечно перемен

Изменяемое отношение сжатия

Двигатель VC-Turbo от Nissan представляет собой первое массовое применение механизма переменного коэффициента сжатия (VCR). Изменяя броск многорычажной соединительной конструкции стержня, двигатель может регулировать свое отношение сжатия с 8:1 для высокого наддува и максимальной мощности до 14:1 для эффективности легкой нагрузки. Эта гибкость позволяет двигателю вести себя как небольшой, высокоэффективный двигатель Atkinson в крейсерском движении и более мощный двигатель при ускорении. В то время как механическая сложность добавляет стоимость и трение, концепция демонстрирует, как далеко автопроизводители пойдут, чтобы согласовать требовательные целевые показатели эффективности с повседневной управляемостью. Исследования альтернативных механизмов VCR, таких как эксцентричные подшипники поршневого штифта или гидравлические головки цилиндров, продолжаются в нескольких инженерных центрах, предполагая, что технология может стать более распространенной, если затраты уменьшатся. Исследования моделирования показывают, что VCR в сочетании с циклом Миллера может обеспечить до 10 процентов снижение расхода топлива по сравнению с двигателями с фиксированным коэффициентом сжатия.

Деактивация цилиндров и сжигание бережливого сгорания

Цилиндровая деактивация, долгое время применявшаяся в крупнотоннажных V8, перешла на более мелкие четырехцилиндровые и даже трехцилиндровые двигатели. Отключая впускные и выпускные клапаны на выбранных цилиндрах при легкой нагрузке, оставшиеся активные цилиндры работают при более высокой удельной нагрузке, уменьшая потери от перекачки. В сочетании с активными креплениями двигателя и шумоподавлением эти системы могут быть практически прозрачными для водителя. Динамическое управление топливом GM делает это еще больше, отключая любую комбинацию цилиндров для оптимизации нагрузки и эффективности. Сжигание с помощью бережливого сжигания, где двигатель работает при соотношении воздух-топливо значительно выше стехиометрической, еще больше снижает потребление топлива, но создает проблемы в селективном каталитическом сокращении (SCR) и ловушках с бережливым NOx возродило интерес к ультра-бережливым бензиновым двигателям, особенно на рынках со строгими ограничениями NOx. Однако стоимость и упаковка дополнительных компонентов после обработки остаются барьерами. Некоторые исследователи

Продвинутый термический менеджмент

Термическое управление стало критическим направлением для увеличения экономии топлива. Интегрированные выхлопные коллекторы, отлитые в головку цилиндра, ускоряют прогрев и уменьшают тепловую энергию, необходимую для достижения температуры отключения света катализатора. Сплит-охлаждение схем и электрических термостатов позволяют охлаждать блок и головку независимо, сокращая трение и улучшая сопротивление детонации. Электрические водяные насосы и переменные масляные насосы доставляют охлаждающую жидкость и масло только там, где это необходимо, уменьшая паразитные потери. Материалы фазового изменения (PCM) и активные затворы решетки радиатора еще больше ускоряют прогрев и поддерживают оптимальные температуры. Каждый грамм и градус имеют значение, когда цель состоит в том, чтобы сбрить фракции грамма CO2 на километр. Использование низкофрикционных покрытий, алмазоподобного углерода (DLC) на поршневых кольцах и штифтах, а переменные масляные насосы еще больше уменьшают паразитные потери.

Стратегические НИОКР развороты по всей отрасли

Регуляторное давление коренным образом изменило то, как OEM-производители распределяют бюджеты на исследования и разработки. Десять лет назад ресурсы разработки двигателей были в значительной степени разделены между вариантами производительности и основной эффективностью. Сегодня почти каждая новая программа бензиновых двигателей оценивается сначала по расходу топлива и показателям CO2, причем производительность рассматривается как ограниченная оптимизация. Этот сдвиг ускорил интеграцию электрификации, долгое время осуждаемой как «угроза» для двигателя внутреннего сгорания, но теперь рассматриваемой как важный партнер. Процент расходов на НИОКР, посвященных проектам чистых двигателей внутреннего сгорания, упал в пользу гибридных и электрических силовых агрегатов, хотя абсолютные доллары, потраченные на передовые исследования цикла Отто, остаются существенными из-за чистого масштаба глобального производства.

Гибридизация как мост

Мягкие гибридные системы (48V) используют ременный стартер-генератор для обеспечения крутящего момента, рекуперации энергии и выключения двигателя без стоимости полной гибридной трансмиссии. Они могут обеспечить снижение CO2 на 5-10 процентов по циклу WLTP при относительно скромной дополнительной стоимости. Полные гибриды и подключаемые гибриды (PHEV) позволяют цикловому двигателю Otto работать почти исключительно в своей наиболее эффективной зоне, с двигателем с низкой нагрузкой, обрабатываемым электродвигателем. Гибридный двигатель Toyota Synergy Drive, который соединяет двигатель с циклом Аткинсона с электрической трансакселью, достиг этапов тепловой эффективности выше 40 процентов по дизайну, благодаря способности избегать большинства низкоскоростных, низконагруженных рабочих точек. Другие автопроизводители, от Hyundai до Stellantis, последовали примеру с выделенными гибридными двигателями, оптимизированными для определенной скорости и нагрузочных окон. Рост популярности серийных гибридных архитектур, где двигатель действует исключительно как генератор, приводит к разработке чрезвычайно простых, высокоэффективных генераторов цикла Otto, которые жертвуют пиковой мощностью для пиковой тепловой эффективности. Эти

Программно-определяемый контроль двигателя

Современные блоки управления двигателем (ECU) теперь управляют сбивающим с толку множеством приводов, от турбокомпрессоров с изменяемой геометрией и клапанов рециркуляции выхлопных газов (EGR) до электрических водяных насосов и масляных насосов. Алгоритмы управления все чаще основаны на моделях и способны в реальном времени оптимизировать искровые, топливные и воздушные пути. Обновления в режиме реального времени позволяют производителям совершенствовать калибровочные карты после продажи, устраняя отклонения в экономии топлива в реальном мире или улучшая соответствие выбросов. Некоторые компании изучают прогнозное управление энергией, которое использует GPS и облачные данные для прогнозирования гор, трафика и ограничений скорости, предварительной подготовки двигателя и батареи соответственно. Линия между управлением двигателем и энергетическими системами автомобиля размывается, требуя от R&D-команд тесно сотрудничать с программным обеспечением, связью и научными группами по данным. Машинное обучение, применяемое для калибровки двигателя, сокращает время разработки и раскрывает оптимальные операционные стратегии, которые ранее было невозможно реализовать в производстве.

Легкий вес и материаловедение

Блоки двигателей, головки цилиндров и даже коленчатые валы мигрировали из чугуна в алюминиевые сплавы, а в некоторых случаях в магний или композиционные материалы, чтобы уменьшить массу транспортного средства. Для изготовления прототипов деталей и производства сложных геометрий в малом объеме используется аддитивное производство (3D-печать), такое как интегрированные каналы охлаждения и легкие кронштейны. Керамические покрытия на поршневых коронках и стенках цилиндров уменьшают отторжение тепла и трение. Использование полимера с усиленным углеродным волокном (CFRP) для впускных коллекторов и клапанных крышек экономит вес при демпфировании шума. Эти достижения материала также улучшают управление температурой, позволяя повысить рабочие температуры или уменьшить тепловую массу.

Тематические исследования: новаторские инновации цикла Отто

Несколько производственных двигателей выделяются тем, как они воплощают регулируемый R & D сдвиг. Семейство Toyota Dynamic Force, запущенное в 2017 году, может похвастаться 2,5-литровым четырехцилиндровым двигателем с естественным аспирацией с 40-процентной максимальной тепловой эффективностью на бензине и 41 процентом в гибридной форме. Он использует высококачающийся впускной порт, сиденья с лазерным клапаном, переменную систему охлаждения и клапан управления охлаждающей водой для уменьшения трения и детонации. [[FLT: 2]] Собственные технические резюме Toyota [[FLT: 3]] подчеркивают, как двигатель был разработан явно для удовлетворения ужесточения глобальной экономии топлива и стандартов выбросов.

Mazda Skyactiv-X является экстраординарным ответом на нормативную проблему. Он использует воспламенение с искровым управлением для использования эффективности бережливого, похожего на воспламенение сжатия, сохраняя свечу зажигания в качестве триггера. Этот двигатель обеспечивает дизельный крутящий момент и экономию топлива от бензиновой базы, с сокращением CO2 до 20 процентов по сравнению с уже эффективными двигателями Mazda Skyactiv-G. Полная техническая поломка SPCCI доступна в SAE International paper.

2,0-литровый турбированный двигатель Volkswagen EA888 Gen4 использует турбокомпрессор с изменяемой геометрией BorgWarner, первый для бензинового двигателя массового производства в этом сегменте. VGT снижает обратное давление и улучшает реакцию низкого класса, в то время как сильно пересмотренный цикл Budack (вариант закрытия раннего впускного клапана цикла Миллера) повышает эффективность частичной нагрузки. Этот двигатель иллюстрирует, как даже четырехцилиндровые двигатели большого объема используют технологии, когда-то зарезервированные для дизельных или высокопроизводительных приложений для достижения целей CO2.

Nissan VC-Turbo, упомянутый ранее, является производственным этапом в изменчивости. Хотя скорость принятия была скромной, она доказывает, что механический VCR является жизнеспособным и может быть усовершенствован для более широкого использования. Исследования альтернативных механизмов VCR, таких как эксцентричные подшипники поршневого штифта или гидравлические головки цилиндров, продолжаются в нескольких инженерных центрах. Stellantis eTorque мягкая гибридная система, применяемая к Pentastar V6 и другим двигателям, демонстрирует, как гибридизация может продлить срок службы архитектур цикла Отто, компенсируя их расход топлива на низких скоростях с электрическим крутящим моментом. Семейство EcoBoost Ford остается эталоном для сокращения, с его тройным турбо 2,7-литровым V6, производящим более 400 л.с., удовлетворяя строгим целям экономии топлива

Вызовы и компромиссы

Инновации, основанные на регулировании, не лишены затрат. Двигатели с прямым впрыском, хотя и эффективны, производят твердые частицы (PM), что требует фильтров для твердых частиц бензина (GPF), добавляя обратное давление, вес и расходы. Более высокие коэффициенты сжатия и конкретные выходы увеличивают тепловое напряжение и требуют премиального топлива во многих случаях, расширяя разрыв между сертификацией и фактическим использованием потребителями топлива. Деактивация цилиндров и высокие уровни EGR могут вводить шум, вибрацию и жесткость (NVH), которые должны быть противопоставлены активному шумоподавлению или сложным креплениям двигателя, разрушая вес и экономию затрат.

Существует также устойчивое расхождение между показателями экономии топлива в лабораториях и реальным вождением. WLTP более репрезентативен, чем старый NEDC, но исследования Международного совета по чистым перевозкам (ICCT) показывают, что потребление топлива в реальном мире по-прежнему превышает значения одобрения типа в среднем на 10-20 процентов. Этот разрыв подвергает автопроизводителей репутационному риску и потенциальной юридической ответственности, что стимулирует инвестиции в соответствие RDE и надежные системы последующей обработки. Проблема особенно остра для подключаемых гибридов, чьи требования по экономии топлива в значительной степени зависят от первоначального заряда батареи и поведения вождения.

Наиболее глубоко, огромный капитал, необходимый для разработки все более сложных двигателей внутреннего сгорания находится под пристальным вниманием, поскольку давление акционеров и государственная политика толкают к электрификации. Некоторые производители объявили, что они больше не будут разрабатывать новые семейства двигателей внутреннего сгорания, предпочитая вместо этого повторять существующие архитектуры, перенаправляя ресурсы на аккумуляторные электрические транспортные средства. Эта динамика заставляет команды НИОКР максимально использовать устаревшие конструкции, максимизируя эффективность в рамках ограничений существующих инструментов и цепочек поставок. Возникающее напряжение между краткосрочным нормативным соблюдением и долгосрочным электрическим переходом формирует каждую программу двигателя.

Дорога в будущее: цикл Отто в декарбонизированном мире

Регуляторная траектория безошибочна. Пакет Европейского союза «Fit for 55» предлагает 100-процентную цель сокращения выбросов CO2 для новых автомобилей к 2035 году, фактически запрещая продажу новых транспортных средств без нулевого выброса. В то время как синтетическое и биотопливо может обеспечить вырезание, основным путем является электрификация. Даже Соединенные Штаты, в соответствии с правилом EPA о многозагрязнителях 2027-2032 годов, проектируют, что электромобили с батарейным питанием могут составить более половины новых продаж к 2032 году, чтобы соответствовать средним стандартам парка. Политика двойного кредитования Китая аналогично стимулирует новые энергетические транспортные средства.

Для двигателей с циклом Отто будущее, вероятно, будет заключаться в уменьшении, но не исчезновении роли. Мягкие и подключаемые гибриды будут поддерживать бензиновые двигатели на дороге в 2040-х годах, особенно на рынках с неадекватной инфраструктурой зарядки или тяжелыми моделями вождения на большие расстояния. Инженеры будут продолжать продвигать тепловую эффективность до 45 процентов и более за счет использования передовых режимов сгорания, таких как турбулентное воспламенение струи, свечи зажигания перед камерой и однородное воспламенение сжатия заряда (HCCI). Интеграция синтетических топлив, известных как электронное топливо, может позволить этим двигателям работать углеродно-нейтральным образом, хотя затраты на энергию и эффективность жизненного цикла остаются значительными препятствиями.

Некоторые производители исследуют специализированные двигатели сгорания водорода как обновление нулевого углерода архитектуры цикла Отто. Широкий диапазон воспламеняемости водорода и высокое октановое число позволяют осуществлять сверхбережливую, высокоэффективную работу с почти нулевыми выбросами CO2, хотя последующая обработка и хранение NOx остаются проблемами. Toyota, Yamaha и другие публично продемонстрировали гоночные и прототипные двигатели на водородном топливе, сигнализируя, что основа цикла Отто может быть адаптирована для эпохи после ископаемого топлива. Окончательное правило EPA обеспечивает последний нормативный контекст США для этих разработок.