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什么是新的

会议报告:锯柴油2020

2020年9月28日

THIESEL 2020, 11th直接注射发动机的热流和流体动力流程的锯齿会议的版本于9月8日至11日举行th2020年。今年The UniversitatPolitècnicadevalència(UPV)与CMT-MotoresTérmicos一起首次举办了一段虚拟版本的会议。会议包括6项主题演讲,30个研究论文演示和4个海报演示。会议涵盖替代燃料,新的燃烧概念,注射和燃烧,CO2减少排放。CMT-Motores Térmicos热流气站、快速压缩机、动力车辆试验台、气候室、MEDAS+MCENAS(进排气调节系统测试单元)、光学单缸发动机、喷射实验室、喷雾实验室、高压高温设备和消声室也可进行虚拟参观。约380人注册了虚拟会议。

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可替代燃料

在一个主题演讲中,沙特阿拉伯国家石油公司传达了他们的想法,即到2050年使用电子燃料实现欧盟的运输碳中和[4881]。电子燃料具有低CO的优势2(58公斤CO2/央行与先进的生物燃料相比,二氧化碳排放量为116公斤2/ BOE和450公斤CO的常规燃料2/ Boe)并与化石燃料和当前的车辆队列完全兼容。如果从拥有丰富的可再生能源的国家进口 - 欧盟在欧盟的电子燃料高成本的重要贡献者,它们可能具有成本效益 - 这是欧盟的高成本是可再生能力间歇性的问题。氢气生产可以通过蒸汽重整天然气与碳捕获和储存或通过可再生电器电解的电解,同时2可以从直接空气捕获的工业点来源获得。燃料合成将通过Fischer Tropsch合成或甲醇合成。根据Aramco的说法,它们对航空和轻型车辆最有用。

在航空方面,CORSIA(国际航空碳抵消和减少计划)的目标是从2020年开始的碳中和增长需要28亿吨二氧化碳2排放抵消或减少2020-2035。据估计,碳偏移可以达到这些减少的75%,而生物燃料和/或电子燃料将提供剩余的25%。

对于轻型运输,有许多路径可以达到欧盟的新绿色交易减少目标3.7 GT CO2从2030年到2050年。虽然纯电动汽车占主导地位(到2050年纯电动汽车占90% /冰混合动力车占10%)是一个选择,但如果车辆仍然严重依赖冰混合动力车(16.5%的纯电动汽车/67%的冰混合动力车/16.5%的插电式混合动力车+车辆效率提升),也可以实现这一目标。然而,严重依赖电气化的方法可能仍然不够。由FEV工作假设车队混合相对较高的电气化(到2050年65%的BEV/15%的FCEV/20%的HEV)表明,低碳能源载体,如生物燃料、电子燃料和氢可能仍然需要提供高达1/3的所需CO2减少。

对电子燃料的一个批评是过程效率(即,供应给车轮的能量与可再生电力的产量之比)很低;与纯电动汽车的69%相比,电动柴油汽车的整体能效为13%,或根据一项数据为5.3倍[4110]。然而,其他申请如果对纯电动汽车的效率进行更现实的假设,那么当一辆内燃机汽车使用由可再生电力生产的电子燃料时,效率之比实际上接近2.4。更小的效率差距加上预期的成本降低将使电子燃料对消费者更具吸引力。

如果汽车制造商使用电子燃料来满足车队的平均尾气排放2要求,他们将需要为CO邀功2减少燃料产量。这只有在确定CO的整个生命周期方法下才可能实现2排放。

酒精燃料。已经开发出使用1D和3D模拟的燃烧系统设计,以使使用甲醇在CI发动机中。甲醇是将可再生能量转化为液体燃料的一种选择。可以通过更高的压缩比(19:1)和未冷却EGR的组合来实现点火。含有甲醇的BTE相当于或比传统柴油更好。发动机输出NOx通常低于柴油。这些结果通过简单的注射策略实现了最低优化。不需要大量技术或昂贵的适应BOB体育APP[4879]

虽然乙醇已经被研究为重型压缩点火发动机的燃料,但点火当然是一个挑战。过去,各种点燃乙醇的方法被认为包括高压缩比,点火改进剂添加剂,进气预热,发光塞和火花塞。肯尼亚皇家技术研究所与斯堪尼亚一起考虑另一种方法是通过柴油飞行员点火。BOB体育APP使用中央安装的乙醇喷射器和侧安装的柴油先导喷射器,在Scania D12重型发动机的单缸版中进行测试。具有两个孔的柴油先导喷射器在低负荷下燃烧稳定性和燃烧完整性之间提供了良好的折衷和乙醇预混和发动机性能在高负荷之间的折衷[4880]

新的燃烧概念

Sandia国家实验室的John Dec在一场主题演讲中展示了低温汽油燃烧提供低排放和高效率的潜力[4882]。虽然已经有几十年的排放和高效率研究了低温燃烧概念,但已经取得了很高的效率,但已经进行了商业化的进展。挑战包括复杂的控制要求,有限的效率收益和在某些操作条件下限制NOx和烟灰排放的问题。桑迪亚国家实验室的燃烧研究设施一直在开发一种低温汽油燃烧(LTGC)概念,他们希望提供一种简化和改进的低温燃烧方法[4883][4884][4885]。在添加剂混合燃油喷射(AMFI)方法中,在发动机的每个循环中加入少量的点火增强添加剂,以调整燃油的自点火特性。LTGC- amfi允许LTGC从低怠速到高负载和速度与常规E10汽油使用0.01-0.5mm3.2-乙基己基硝酸盐(EHN)每发动机循环。对于中等负荷的应用,这意味着8000英里(7.6升/ 12800公里)的运行约2加仑。ENH的费用估计为每加仑20美元。LTGC-AMFI采用康明斯B5.9单缸转换,配备GDI喷油器,使用常规E10汽油,发动机转速从600到2400转,负载从空转到16.3 bar BMEP。

使用来自单缸发动机的结果,使用GM提供的型号估计了用于多缸发动机的BTE和BSFC,该模型纠正了用于抽水工作,摩擦和涡轮增压器损失的指示效率和燃料消耗。与EPA的宝石模型中使用的7 L“通用”柴油相比,峰值BTE为40%,估计整个发动机地图上的BTE改进。峰值BTE估计为45.5%(改善15%),而低载荷的改善在19-31%之间。这些效率改善来自许多因素,包括比率增加,较低的传热损失和恒定体积燃烧比例较高的比例。详细信息可以在其他地方找到[4886]

为了在整个速度和负载范围内运行,需要几种燃油喷射策略。对于发动机在较低转速下从中负荷到高负荷的大部分操作,进气冲程早期的一个DI可提供部分燃油分层。在低于2.5 bar BMEP的负载下,在压缩行程的后半段使用一个较晚的单一DI,将燃料集中在靠近燃烧室中心的位置,以获得良好的燃烧效率和较低的EHN消耗。对于高负荷、高转速的发动机,双DI(早期DI注入70-90%的燃料,晚期DI注入剩余燃料)可以降低热释放率,从而实现更高级的燃烧阶段,从而获得更好的稳定性和更低的噪音。EHN在负荷低于9 bar时促进自燃,其量在2.5 bar左右最大。在较高负载时,不同数量的EGR用于限制自点火,最高负载时的自点火率达到50-60%。NOx排放与EHN消耗密切相关,表明EHN中的氮是NOx的重要来源。NOx排放最高,约0.5 g/kWh,发生在EHN消耗最高的2.5 bar左右。烟雾排放量刚好高于AVL烟雾仪的检测极限。

许多其他论文也处理了燃烧主题。这些包括用于超精益Si发动机的活性预腔点火系统上的几个演示。Friedrich-Alexander大学Erlangen发现,喷气喷射早期阶段的喷射传播速度离开预室(第一〜10 mm)以及与发动机燃烧稳定性相关的预室体温[4887]。沙特阿美与其他公司一起展示了快速压缩机的实验结果和主动预室概念的CFD建模结果,该概念在预室和主室之间安装了一个止回阀。这一概念目前对预室内液体燃料的存在很敏感,需要采取措施避免这种情况[4889][4888]

奥地利LEC提出了一个gas-diesel燃烧高马力高速发动机的概念。虽然使用多个注射器和高速的中型和低速发动机都已经开发了这种方法重型发动机对于多十年来提供单个注射器解决方案,才仅适用于高马力发动机可用的单一注射器解决方案[4341]。在这项工作中,CFD用于探索6 L / CYL的燃烧概念。高速发动机能够22巴BMEP和3%的柴油飞行员。在报告的发展早期阶段,结果表明在甲烷排放开始由于与活塞碗的相互作用开始上升之前,可能存在3.5克/千瓦时的NOx排放[4890]

Karlsruhe技术研究所应用BOB体育APPRCCI基于戴西特HPDI注射器的戴姆勒OM472,用天然气和柴油燃料与天然气和柴油燃料燃烧。目的是以欧元vi水平实现发动机输发NOx和PM,同时实现高效率和低甲烷排放。在进气冲程和柴油先导期间,在70°BTDC左右的自然气体注射,优化效率,NOx和甲烷排放之间的折衷优化。虽然从欧元vi限制和高效率低于欧元vi限制和高效率,但最小甲烷排放量为0.5至1.4g / kWh-以下,而来自许多传统双燃料发动机的0.5至1.4克/千瓦时,而是从常规HPDI燃烧那些之上。需要15-20%的柴油试验量来最大限度地减少甲烷排放量[4891]

有限公司2减少

Horiba欧洲的Hiroshi Nakamura博士致力于从轻型运输的GHG减少的全球​​挑战,重点关注日本和欧盟的不同方法[4896]。在采用京都议定书后不久,日本人将其努力集中在杂交种中作为实现轻型车辆的手段2减少。丰田于1997年推出了普锐斯,并于1999年推出了其洞察力。到2018年,到2018年,超过30%的新车销量是HEV,丰田销售了1000多万杂交品,在日本销售了50%,北美40%以上,只有40%在欧洲。在欧洲,重点是柴油机实现了CO2减少柴油比例达到2011-up达到1990年的约20%的比例。混合动力车和柴油路径都能够实现130克/ km co2到2014年。

2013年,日本政府启动了“创新燃烧技术”计划,这是一个由内阁办公室设立的国家项目,是“跨部门战略创新促进计划(SIP)”的一部分。BOB体育APP其目标是在汽油和柴油发动机中实现50%的BTE,并确保日本在发动机开发方面保持竞争力。

然而,由于2015年爆破的柴油排放丑闻,景观已显着改变。在欧洲,到2018年柴油机的市场份额下降至36%和有限公司2排放量已从2016年约118.1 g/km的低点增加到2018年的120.8 g/km,而技术重点已转向电动汽车,以帮助实现2021年95 g/km的目标。BOB体育APP

虽然BEV具有非常高的油箱到车轮效率的优势,但大约80%,井到车轮CO2排放取决于用于为电池充电的功率混合。此外,CO2与电池制造相关的排放并不可忽略不可忽略。使用来自各种来源的数据,证明了虽然BEV应该减少CO2在大多数欧盟国家的排放,这是德国等德国仍然使用大量煤炭供电的情况。对于世界其他地区,中国和日本也使用大量的煤,因此BEV会产生类似于HEV的更高生命周期GHG。

望向2030年,甚至进一步减少了CO2将从欧盟的乘用车(37.5%)和日本(30%)。日本正在选择一个良好的轮子方法,因此BEV将不再被视为零排放车辆。虽然日本动力总成混合物预计在仅冰电机中经历下降,但在30-40%的范围内剩下的BEV / PHEV发动机和HEV的增加,预计最有趣的变化是清洁的柴油发动机。柴油发动机的车辆的比例预计将从目前的3.6%的车辆中加倍或三倍,达到5-10%。未来十年设想的一些趋势是:

热效率。通常认为峰值烧制压力会导致增加的机械损失,从而抵消一些潜在的效率增益。但是,新的A.C.E.研究所证明了使用时有限压力(或Sabathe)循环,机械损失不需要显著增加,即使在气缸峰值压力显著增加。在峰值点火压力约束下,通过修改恒压循环,使汽缸压力峰值相位约为10°ATDC(即,当汽缸体积开始显著增加时),在没有显著增加机械损失的情况下,在压缩比为23.5:1而不是19.2:1时,提高热效率是可能的。通过将峰值压力调至大约10°ATDC,与上止点附近的压力和温度较高的情况相比,燃烧室壁面的热损失可能更低。在大约10°ATDC之前,较高的压力对工作生产的好处较小,因为气缸体积变化的速率相对较低[4897]

在典型的柴油发动机中提高预混合燃烧可以导致更快的燃烧速率和增加的恒定体积燃烧比例增加,这应该增加热效率。然而,增加的燃烧噪声和热量损失意味着提高效率可能难以实现。北海道大学证明了一种半预混燃烧模式,将预混和扩散模式与更大的飞行员和预热量分开可以解决与恒定体积燃烧的比例增加相关的一些问题。观察到在低和中等负荷下,ITE的增加为1.6%和2.5%,由于排气损失较低和降低冷却剂损失,燃烧噪声的显着增加而不会显着增加。由于碗上的喷射冲击更少,较低的热损失是降低活塞的热量。[4898]

Eth苏黎世在高温/压力容器中的130μm厚的多孔氧化锆热量摆涂的实验表征壁传热和温度,用于潜在应用作为发动机燃烧室表面的热障涂层选择。热挥杆材料是具有低热容量的陶瓷涂层,因此更好地遵循圆柱体气体的温度变化,并且对发动机容积效率的影响较小。他们发现,通过表面粗糙度效应 - 表面粗糙度将热通量增加到表面的热量效应,氧化锆热旋转涂层的传热益处。研究应专注于实现更平滑的热挥杆涂层[4899]

橡木岭国家实验室表明,直接注射化学计量丙烷发动机可能是实现2027年美国EPA重型的选项有限公司2需求- 使用丙烷作为燃料,432 G / BHP-HR HHD拖拉机/拖车要求可以通过40.5%的循环平均BTE实现。具有1.5,压缩比为16.8:1,晚进气门闭合和约30%EGR的高行程到孔比的DI丙烷发动机显示为具有45%BTE的柴油状功率密度。与目前的商业丙烷发动机相比,这效率提高了30%[4900]

Punch Torino展示了通用汽车开发的独特活塞设计,采用增材制造技术,可使轻型柴油发动机PM减少30-80%,BSFC减少约2%,如图1所示。钢活塞有许多特点,增加空气利用率和减少热损失[4901][4902]

图1。用于轻型柴油发动机的钢活塞,由添加剂制造实现

虽然添加剂制造具有用于生产独特的燃烧室和活塞冷却通道几何形状的承担,但生产率保持低。Mahle最近制作用于保时捷的一系列添加剂 - 每个活塞空白的活塞花了12小时才能制造。

排放减排

俄亥俄州州立大学的Giorgio Rizzoni提供了关于连通性和自动化潜力的主题态,以提供燃油经济性改进[4903]。俄亥俄州立大学是ARPA-E NEXTCAR项目的参与者之一。该项目的目标是协调车辆动态控制和动力系统运行,以最大限度地提高非全自动车辆(NHTSA/SAE 0-3级)在真实世界驾驶条件下的效率,以获得至少20%的燃油消耗降低。

俄亥俄州立大学的这个项目利用摄像头/雷达和交通灯计时(V2I数据),利用增强的地图信息(路线、海拔、限速)、前车的位置和速度,开发了一种针对皮带驱动启动器/发电机BSG扭矩和车速的前瞻性优化。

使用带有Tula Technologies的48V P0 MHEV与带有Tula Technologies的Tula Technologies动态跳过火(DSF),具有自适应巡航控制(L1 +自动化),实验达到高达30%的燃油消耗减少。通过优化电池充电和电子辅助使用来实现燃料节省。优化控制器通过再生制动实现了更多的发动机操作,更多的电子辅助和能量回收。更多的电子辅助是可能的,因为控制器确定什么时候可以恢复能量并且更有效地为电池充电。对于没有优化控制器的基线盒,更频繁地使用发动机来为电池充电。

节省的燃料取决于路线细节和司机的积极性。在农村路线上,燃油消耗下降了10-25%,而在郊区路线上,燃油消耗下降了25-30%。对三种不同级别的驾驶员攻击性进行了测试,每个级别的攻击性在基线情况和优化者参与的情况下保持相同的行程时间。至少在一种情况下,由于能够更好地预测交通灯时间,优化器能够实现略短的旅行时间。

另一个主题演讲由塞萨洛尼基亚里士多德大学的Zissis Samaras提供,他总结了欧盟地平线2020资助的一些关键结果“下行10”项目[4904]。该项目测量系统开发的一个重要重点是能够对热排气气溶胶(排气管)、新鲜稀释排气气溶胶(路边)和老化排气气溶胶进行取样。为了实现这一目标,取样系统必须具有灵活性,并且能够:(1)执行当前的PMP协议,(2)使用包括催化汽提器在内的增强挥发性颗粒去除剂(VPR),(3)不使用VPR。作为该项目的一部分,我们对大量发动机和后处理系统组合进行了测量,包括那些获得欧6d-TEMP认证的发动机和后处理系统组合,以及各种不同的燃料,包括柴油(包括与生物柴油和石蜡柴油的混合物)、汽油(包括与乙醇的混合物)和CNG。虽然这项工作的一些结果到过提出了此前,一些其他调查结果值得注意:

所谓的中性空气质量影响车辆研究倡议,由Aramco提供,调查了一些可用于减少冷启动NMHC和NH的吸附剂3.来自内燃机的排放。我们的想法是将吸附剂(如图2所示)放置在排气管的末端附近,这里在冷启动时排气温度较低,然后让低温排气通过。当废气升温时,吸附剂将被绕过。吸附剂可以在车辆使用期间更换。利用GDI冷启动、GDI短行程和混合汽油机排气的典型气体成分,在流动台架上对各种沸石、活性炭和ZIF8 (MOF)进行了温度筛选。对NH3.,铜分子筛如Cu-ZSM5表现出较高的存储容量-小于0.2 L的吸附剂大约需要20,000 km。对于nmhc,吸附剂的选择更加复杂,活性炭对重分子表现出更好的性能,而沸石对轻分子表现出更好的性能——需要铜沸石和活性炭的混合。GDI汽车将需要大约20 L的吸附剂,但对于混合动力车,大约1L的吸附剂将足以减少NMHC的排放超过20,000公里的行驶在WLTC[4905]

图2。NMHC和NH的吸附剂(ADS)放置3.在以汽油为燃料的车辆的排气系统中

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