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会议报告:SAE WCX 2021数字峰会

2021年4月29日

SAE WCX 2021数字峰会于4月12日至15日举行,2021年。该事件遵循去年的虚拟,在线格式。虚拟会议包括95个直播会议 - 包括各种讨论面板,高效IC发动机研讨会,以及汽车制造商和汽车行业供应商的现场演示。此外,已经提供了数百个预先记录的按需演示,这些演示提供了汽车技术的所有领域。BOB体育APP按需内容将在WCX 2021网站上仍然可用,直到1991年7月15日。以下摘要详细介绍了发动机,发动机排放和相关技术的许多WCX 2020论文。

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世界各国政府一直采取政策目标,以减少运输部门的温室气体排放以及一般来说。这些承诺预计将在2030-2035〜2050%到20%的50%减少排放,并在2050次时间框架中达到“零零”排放。这些目标中的大多数是政治假设,这承担了持续的经济增长,同时估计能源和自然资源限制以及能源转型项目的巨大规模。通过能源,燃料和动力总成技术的专家讨论小组提供了更高的了解转变为低碳流动性的挑战,基于潜在的能量和排放影响的生命周期分析。

壳牌(R。克莱克奈尔]分析了三种能量转换场景在Covid-19危机之后:(1)财富第一,专注于经济增长,(2)安全第一,专注于民族主义自治和自给自足,(3)健康首先,重点关注人类福祉。后一种情况,被称为Sky 1.5,可以通过巴黎协议设置的2100达到1.5°C的变暖目标,而另外两种情况产生超过2°C的温暖水平。即使在天空下1.5场景 - 最有效的脱碳途径 - 石油仍然是2050年超出2050的最大能量来源,图1.如图1所示,壳牌预计在运输脱碳中发挥重要作用。

图1。在运输壳天空中的能源使用1.5场景

(来源:shell全球解决方案)

讨论控制板在下一代动力驱动下,沿着低碳移动性识别了许多挑战。“碳中性”公路运输的概念基于碳中性发电的先决条件,包括各种电池电气,氢气燃料电池,液体电子燃料和生物燃料发动机[Zissis Samaras,亚里士多德大学]。液体燃料主要用于超低排放混合动力车辆。然而,这些选项之间的效率差异很大。Battery electric vehicles (BEV) have by far the best efficiency—their combined well-to-tank (WTT) and tank-to-wheels (TTW) efficiency is 64%, i.e., 1.57 MJ of renewable electricity is required at the point of generation to supply 1 MJ of energy to the vehicle wheels. In contrast, the efficiency of the least efficient fuel option, e-fuels manufactured via direct air capture (DAC) of CO2,仅为16%,即,需要6.25 MJ的电力来向车轮提供1 MJ的能量。当然,电子燃料与现有的发动机和燃料分配基础设施兼容,可用于难以通电的重型车辆,但在能源术语中,E-Fuels将带有重型价格标签。在小组介绍中以及以下Q&A会议中讨论了一些进一步的挑战:

发射控制中讨论了发动机效率和排放领域的监管发展和新技术控制板经过Ameya Joshi.康宁。在新的排放法规中,即将到来的欧元7 / vii将重点是在广泛的运行条件下实现超低排放水平。这意味着RDE测试规则可能是调节的重要部分。此外,要收紧排放限制,预计会对许多新物种进行调节(可能是NH3.,CH.4.,n2o,hcho)。根据欧盟监管机构的政治选择,最终欧元7条监管可能是冰动力​​车辆的挑战。

在美国,加州空气资源委员会(CARB)已采纳bob app下载对于重型发动机,具有非常具有挑战性的NOx排放限制(FTP上0.02g / BHP-HR),额外的排放限制在低负载周期上(LLC.),并显着延长有用的生命周期(高达80万英里)。满足低NOX目标将需要新的热管理方法(气缸停用,加热催化剂),非常高的SCR转换,以及非常低的双剂量SCR配置2o形成。重型低Nox规则,可能与碳水化合物要求协调,也预计美国EPA的联邦级别也将通过。对于轻型车辆,碳水化合物开始开发Lev IV排放标准(高级清洁汽车II调节),其可能包括Sulev20(NOx + Nmog = 20mg / mi)舰队的平均要求和PM排放限制为1mg / mi。

GCI发动机

汽油压缩点火(GCI)仍然是一个活跃的研究领域,并通过考虑因素驱动,包括降低发动机输出NOx和烟灰排放的潜力和改善柴油燃烧的效率。然而,实现这些益处并不总是直截了当。利用汽油较高波动性和低温燃烧潜力(LTC)的注射策略似乎有效地通过较低的热损失,更快的燃烧和更高的比热比(γ)实现效率效益。这还可以避免EGR在一些操作条件下限制NOx以及相关的效率惩罚 - 特别是如果使用高压EGR。然而,这些LTC方法的成本是控制燃烧过程的复杂性的增加以及HC和CO排放的潜力。另一方面,更具柴油的喷射策略可以简化控制问题,并保持HC和CO低,但也降低了GCI的潜在益处。提出了许多论文,说明了这些方法和挑战。

SWRI与沃尔沃我的2017年D13发动机的单缸版本中的柴油和GCI操作相比,作为其内部Chede计划的一部分[5087][5088]。柴油运行在87.8 AKI(91.5 ron)E10汽油上的ULSD和GCI上,具有润滑性添加剂。评估两个活塞设计;踩唇活塞以及沃尔沃的海浪分别有12和6个孔喷嘴的活塞。对于所有情况,测试和仿真工作以22:1的压缩比进行。虽然两个燃烧系统可以在GCI模式下成功运行,但它们需要不同的优化策略。例如,在A75操作点(1200rpm和19 bar imep),阶梯式唇缘活塞需要后注射后,以保持未燃烧的HC和CO排放。效率与传统的柴油燃烧相当。即,未观察到GCI效率的显着益处。但是,进一步的优化可以提高GCI性能。踩唇活塞设计表明,由于较低活塞表面积导致的较低的传热损失,所示的热效率比波活塞更好地显示出优于波活塞。

基于之前的工作,ARAMCO研究发现,早期/晚期IVC(EIVC / LIVC)与空气处理系统的优化相结合,可以在用GCI操作的重型柴油发动机中提供显着提高。使用GCI操作的2013康明斯ISX15的模拟评估这种方法[5091]。结果发现,LIVC的增压要求较低,泵浦损耗低于EIVC。此外,当与原型1级涡轮增压器相结合时,通过对库存涡轮增压器提高效率,应导致BTE的相当大的改进。与库存涡轮增压器相比,利用优化的涡轮增压器将LiVC组合将在B50增加40.9%至42.3%,并在B75的41.5%至44.3%。较高的BTE引起的热损失,降低排气损失和减少泵送损耗。在B75工作点,减少的泵送损失特别优势。没有提出与柴油操作的比较。

桑迪亚国家实验室提出了优化其添加剂混合燃料喷射的燃油喷射策略的工作(AMFI.)低温汽油燃烧(LTGC)中型和重型应用的概念[5089]。在约3-6巴的零件负载条件下,证明双注射策略可以控制燃料分层并因此控制燃料分阶段。第一次注射(70-90%的燃料)的定时固定在约60°(在进气冲程中),而第二喷射(10-30%的燃料)的定时从200°变化到315°(压缩冲程中的早期晚期)。为了最大化燃烧相位控制的范围,还需要一些调整EHN给药。早些时候在类似负载下使用AMFI的工作使用,在压缩冲程中使用单一直接注入。与AMFI的其他工作表明,辛烷值指数[= ron-k(ron-mon)],一种用于表征自燃作为发动机运行条件的功能的指标,与高度稀释和经常精益条件的自燃反应性具有非常差的相关性发现LTGC和HCCI燃烧[5090]

ARAMCO研究中的轻型GCI工作的工作主要集中在燃烧策略开发和EGR系统优化。至少有一些这项工作是在类似于先前使用的2.2L发动机上进行的德尔福。在零件负载条件下,组合16.3压缩比,新的活塞碗设计,使汽缸周边附近的富含燃料的口袋和便于增强的燃料分层分布以及提供了PPCI扩散燃烧的双注射策略(在附近压缩冲程结束使用400巴GDI燃油喷射设备)导致最低的HC,CO和烟灰排放,较低的升压要求和提高效率。与1500 rpm / 6巴BMEP的两个轻型商用柴油发动机(BMW N57 3.0 L和Hyundai 1.6 L)比较显示出86-94%的烟灰排放量和3-8%的BSFC[5094]。另一个项目检查了2.2L发动机上使用的低压EGR系统的替代品,以减少泵送损耗,提高升压和EGR的瞬态响应。混合HP / LP EGR系统被确定为最佳替代品[5093]

其他工作在Aramco Research采用2.6 L发动机,配备了2000巴柴油喷射系统的注射喷涂图案,旋转比和燃料喷射策略在全载荷(2000 rpm / 23.5 bar imep)。零旋流比与总喷嘴区域的8孔注射器组合1.5倍的基线喷射器的1.5倍,并发现优化的双注射策略将ISFC减少5.1%,烟灰在基线上减少50%。与在相同的操作条件下BMW N57相比,NOx和烟灰分别降低了80%和67%。没有提供与柴油发动机在满负荷下的效率的比较。未来的工作将延长对部件负载条件的调查[5092]

现代 - 起亚美国技术中心在2.2L柴油发动机中使用1500和2000 rpm的负载扫描评估了GCI[5095]。使用高达700巴的CGI期间注射压力。发现CGI不需要EGR以在柴油的同时满足5克/千瓦时的发动机输出NOx靶,使用高达10%的高压EGR。观察到具有CGI的BTE率高为2.2%至6.5%。

替代发动机

在资助的碳水化合物上达到更新的进展示范项目[5105]。该项目中的10.6 L发动机将符合2027低NOX FTP排放限制,并将安装在Peterbilt 579拖拉机中。最近对发动机的更改包括用超级孔和伊顿EGR泵更换VGT和增压器。最初提出的后处理系统,具有双重计量封闭耦合和下层甲硅SCR催化剂将用包括DOC,SCRF,SCR和ASC的底层系统代替。工作表明,相对的活塞发动机可以满足2027个NOx限制而无需双剂量SCR系统。对抗活塞发动机的一个优点是峰排气温度可以比常规的四冲程发动机低100°C,并且可以利用以将更多氨在SCR催化剂上储存以改善NOx转化。

发动机系统创新正在基于纠缠机构开发可变排量引擎[5107][5108]。仿真工作在早期版本的设计方面建议改善零件负荷效率约为70%,转化为燃油经济性较高约30%。利用纠缠机构,使用滚动元件轴承对于保持摩擦力是至关重要的。

提升

三菱重工下一代变量几何涡轮增压器将在排气涡轮机中纳入3D叶片[5118]。这些以一种方式形状,以引导主流朝向叶片的中间段,图2.在小叶片开口,这显着降低了泄漏流过叶片末端引起的干扰效果,可以提高涡轮机效率低质量流量约为5.7%。

图2。用于可变几何排气涡轮机的2D(左)和3D(右)涡轮机叶片的比较

气缸停用

Tula Technologies MDSF将动态跳过火与米勒循环操作相结合,该操作使用不对称进气门设计而不是通常用于米勒循环实施的2步阀升降系统。在每个气缸中,一个进气门(米勒进气)具有米勒循环升降型材,而另一个(电力摄入量)具有更传统的曲线,以确保可以满足所需的发动机功率目标,图3.当需要米勒循环操作时,电力进气阀停用(低火) - otherWise两个阀门操作(高火)。凭借其2018年VW Passat示范载体,在美国城市-HWY周期上测量了7.8%的燃料消耗减少,WLTC上的6.0%表示8.5%,燃料经济性为6.5%。CO.的费用2减少估计为30美元/%。由于使用减速缸切割(DCCO)而不是减速燃料切割(DFCO),还注意到催化剂富集的需求较少,也应注意减少CO排放的减少。代替减速燃料[5109]

图3.。Tula Technologies MDSF.

对于重型柴油发动机,图拉和康明斯为Freightliner Cascadia提供了车辆仿真结果,使用康明斯X15发动机使用DDSF.。将DDSF与基线发动机中的传统热管理措施相结合,提供23%NOx和0.8%的CO2减少重型FTP和74%NOx和5%CO2减少LLC。如果DDSF与基于更积极的发动机的热管理策略结合使用,因此可以2排放仍然与基线发动机相似,在FTP和LLC中,NOx还原甚至高48%和79%。使用占空比评估[空闲/蠕变,城市/瞬态(低),城市/瞬态(高)和高速公路]显示DDSF与基线热管理策略提供NOx减少范围从34%到96%和CO2减少0.7%至9.4%。关于NVH表征,与全缸操作相比,驾驶员座椅振动仍然在±0.01g以内,对于大多数烧制密度;飞轮上的扭转振动,变速器输入和变速器输出在较低的射击密度下适度增加;和机舱声压级剩余±1 dB[5110]

AVL评估了一种自然吸气式发动机概念,将DSF与增加的发动机排量、LIVC与重型阿特金森循环以及冷却的外部EGR (2.5 L, 14.0 CR PFI)结合起来。基线发动机(2.0 L, 11.5 CR, PFI)在WLTC上的燃油消耗为929 g,使用DSF的基线发动机为882 g,使用cEGR的升级版Atkinson循环发动机为921 g,使用cEGR和DSF的升级版发动机为860 g。这款概念车也优于一些小型增压发动机:本田L15B7(895克燃油),福特1.6 L Ecoboost(994克燃油)和PSA EP6CDTX(890克燃油)[5111]

排放后处理

SWRI讨论了碳水化合物第3阶段低NOx演示计划,可实现90%减少靶(FTP / RMC NOX = 0.02g / BHP-HR)附近的NOx排放水平,没有对435,000英里的后处理系统使用后处理系统[5122]。2017年康明斯X15发动机用于演示。与早期阶段使用的发动机不同,X15发动机没有使用涡轮混合物,但配有额外的气缸停用硬件(伊顿)。图4显示了该项目中开发的双SCR后处理系统。

图4.。碳水化合物第3阶段低Nox演示排放后处理系统

在20世纪90年代开发的电加热催化剂(EHC)-A技术,但已发现只有有限的BOB体育APP商业用途 - 正在重新考虑在一系列未来的应用中控制冷启动排放,从7欧元到加州重型低NOx。Valtesco评估了使用EHC预热PHEV后处理系统的有效性,以减少高功率冷启动(HPC)排放[5127]

Umicore的一项研究表明了一种新的催化剂方法,以满足汽油车中的Sulev20排放标准[5128]。基于沸石的HC捕集器用于紧耦合位置,然后是下层三元催化剂。老化的实验系统分别导致NMHC和NOx排放5和10mg / mi,具有低于1.0g / mi Lev III Sulev20限制的CO排放。测试系统中的PGM量低于OEM设计。

虽然未来最具未来的排放法规越来越关注排放耐久性和使用不合规律,但由于超出了车辆或催化剂制造商的控制,可能发生后处理系统故障。FCA调查了一个现实世界老年的柴油车,在尾气排放中表现出劣化[5129]。发现由于暴露于高水平的钠和钾,载体催化剂是不可逆转的损坏。发现催化剂上Na和K污染的水平远远大于使用粘附于ASTM规范的市场级柴油或生物柴油混合物的预期。结论是,车辆必须使用不符合适用行业标准的燃料进行操作。

微粒过滤技术的新发展专注于BOB体育APP汽油颗粒过滤器(GPF)。使用GPF材料满足目前欧元6级要求,使用GPF材料具有新鲜的过滤效率,大约为80%。期望未来排放标准可能收紧PN要求,正在开发出新的更高效率的GPF配方。一个例子是一种具有高PN过滤效率的新康纳滤波器,在大多数情况下,在90%以上,即使在完全新鲜状态和积极的驱动循环中也是如此[5124]。这种新的小孔径配方适用于未催化的GPF应用。

其他值得注意的GPF论文讨论了用于中国6B应用的GPF催化剂涂层的优化[5126]以及用于GPF再生的基于模型的发动机校准生成的开发[5125]

预计欧元7欧元和中国的6个排放法规将越来越关注控制氨和氧化亚氮等二次排放。umicore调查了n2o和nh.3.来自各种中国6种生产汽油车的排放WLTC.RTS 95.测试周期[5123]。发现n2o所有车辆的排放量低于5毫克/公里,低于中国6限制20毫克/公里。但是,NH.3.排放量从2到48毫克/公里变化。减少n的方法2o和nh.3.从催化剂系统设计的角度讨论了排放。

Horiba报告了用于测量NH的板载发射分析仪的开发3.和n2o排放量[5121]。分析仪采用新开发的吸收光谱,名为红外激光吸收调制(IRLAM)。在NH中实现了≤0.1ppm的检测限3.和n2o测量。在发动机测试台上的新的便携式分析仪和静止量子级联激光的发射分析仪之间进行相关试验。

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