将燃料电池用作动力装置有利于商用车技术的发展。燃料电池在续航里程和充电时间等方面明显优于传统蓄电池。为了实现相关技术的推广，必须进一步降低成本。该目标可通过调整燃料电池尺寸，推进标准化进程，以及提高系统可靠性而实现。Pierburg公司目前已开发出了全新的燃料电池产品，以此满足未来商用车燃料电池驱动装置在品质、安全性和使用寿命等方面的需求。0 前言 在过去的20年中，燃料电池的发展虽然呈现出多样化的趋势，但其在商用车驱动装置领域中，至今仍未出现实质性的突破。早在20世纪，部分城市客车也曾小批量地使用过燃料电池，但是其技术发展的重点仍集中在轿车领域。近年来，研究人员将燃料电池的应用领域逐步过渡到商用车方向。这主要是由于降低CO2排放的欧盟商用车法规已于近期正式通过。该法规规定在2030年之前，车辆CO2排放必须比目前基准阶段降低30%。这个目标促使电驱动力总成系统逐步取代车用柴油机，从而推动了商用车燃料电池的应用。与蓄电池相比，燃料电池的优点表现在行驶里程较长和燃料加注时间较短等方面，同时还可显著优化整车布置方式，并实现轻量化，从而有效改善整车经济性(表1)。此外，如果以不增加CO2排放为前提，以此能进一步凸显燃料电池的技术优势，因为其能量密度高于蓄电池，同样也改善了制造过程中对环境造成的负面影响。1 降低成本是重要的挑战 在德国，燃料电池技术已较为成熟，并能投入大批量生产，但目前面临的1项重要挑战是加氢站的规模及数量依然较为有限。除此之外，研究人员仍需要进一步降低燃料电池系统的制造成本。在控制成本方面，科技界和工业界都已取得了重要进展。目前，除了燃料电池堆自身以外，对成本影响最大的因素是燃料供给装置和辅助设备。为此，现阶段的燃料电池系统具有多种尺寸形式可供选择，并且其技术性能可满足不同的功率需求。另外，目前市场上现有的燃料电池系统和功率等级需要实现统一化和标准化。当今在汽车领域广受关注的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，除了开放式系统中的氧供给系统之外，共有2种封闭式循环回路可供选择。其中1种用于燃料电池堆的热调节，另外1种则用于供应氢燃料。燃料电池系统的整个外围设备通常被称为辅助控制系统(BoP)，采用了机电一体化组件，其成本约为整个系统的25%(图1)。 2 构件的继承和标准化是关键 Pierburg公司多年来大批量制造了可用于PEMFC系统的各类零部件，以及其他与燃料电池密切相关的辅助产品。目前，该公司将研发重点集中在阴极阀、冷却液泵及氢再循环增压器等方面(图2和图3)。冷却液泵和氢增压器有着较高的标准化要求，同时还需要配备一定比例的通用件，才能使产品的成本和品质与技术转换、使用寿命及运行安全性等因素实现协调一致，并使新开发的高电压冷却液泵和经改进的氢增压器得以充分利用。为了进一步提高通用件比例并降低开发费用，研究人员将冷却液泵、氢增压器、大容量电机、功率电子器件(换流器)等高电压部件和软件进行分开设计，并且将全部的机械和电子组件集成在圆柱形整体式壳体中，其中包括转子结构组件、电机及其他电子器件(图4)。考虑到汽车制造商的设计和安全性规定，电机和电子器件基本上是按LV123/124标准而设计的，因此确保了最高电压等级为800 V 的HV2b和HV3 等设备的安全使用。电机运行所使用的高电压功率电子器件通常会与电压系统和控制器局域网络(CAN)总线接口进行分开布置。电子器件直接与无刷直流同步电动机(BLDC)相连，以便遵循ECE-R10标准，并确保系统的可靠性和电磁特性。冷却液泵和氢增压器具有无级转速调节、系统诊断和选择性网络管理功能。接触介质的转子结构组件与电子器件的密封隔离可通过塑料缝隙式管而实现。该缝隙式管可通过纯静态负荷O型圈对壳体进行密封，并确保系统内部保有约8 MPa的压力。在这2种流体机械中，这种缝隙式管可避免介质与氢混合气及电子器件的大范围接触。同时，静态密封原理不会受摩擦老化的影响，因此能确保产品在整个使用寿命期内可靠运行。研究人员在选择接触介质的结构组件材料时，除了确保其耐腐蚀性之外，也考虑到了离子和材料析出可能性，以避免氢增压器中MEA 的加速退化及冷却液泵中冷却液导电性的逐渐提高。在该方面，滚动轴承作为唯一存在磨损情况的构件而成为研究关注的焦点，在冷却液泵中通常会采用通过合成材料制成的轴承。由于在氢增压器中存在气体介质，研究人员为其配备了密封滚动轴承，以便在选择材料时实现相互协调，并防止其产生静电负荷和电火花。此外，研究人员通过设计优化，使这种专门开发的轴承润滑材料在成分、粘度和化学稳定性等方面有着优异性能，从而确保轴承在整个使用寿命期内处于低摩擦运行状态。 3 燃料电池阴极阀 与内燃机相似，为使燃料电池堆正常运作，应为其供应经增压装置压缩后的清洁空气。为了对新鲜空气、旁通空气和废气进行流量调节，需要配备电动阀系统。此外，如果燃料电池堆处于非工作状态，由此会通过具有较高密封性的单向阀与周围环境实现密封隔离。根据使用情况，上述阀板和阀门在与水和氢进行接触时，应具有较好的稳定性和耐久性。这就需要使阀体与执行机构之间实现良好的密封，特别是单向阀在关闭时应呈现出较好的密封性，而且必须在整个使用寿命期内得以有效维持。基于内燃机节气门的开发经验，Pierburg公司旗下的研究人员设计了一系列可用于燃料电池负极侧的调节阀和单向阀，并已投入小批量生产。内燃机节气门的基本方案由可旋转的阀板和集成式的直流电机执行器所组成，目前已保留了这种基本方案，并根据上述标准进行进一步开发。调节阀板的尺寸已根据其各自的功率等级和所需的空气流量进行了调整。其他的技术特性，如汽车电路电压(12/24 V)等，则可根据用户需求来进行配置。为了满足较高的密封性要求，研究人员采用了密封环与摆动阀板相结合的结构设计方案，在需要时可通过能实现多次密封的滚针轴承以确保阀板轴与执行器间的密封效果(图5)。 4 燃料电池的主冷却液泵 效率高达65%的PEMFC在电化学转换过程中仍会产生一定损失。为了使反应过程温度稳定在80~100 ℃，需要采用强制式液体冷却，以避免燃料电池产生局部热损伤。同时，在低温工作状态下，研究人员应对温度和湿度进行预处理，由此可使导电性较弱的去电离水和乙二醇混合液流经燃料电池堆，并实现冷却。由于研究人员将一定数量的电池板进行了串联处理，因此所需的冷却液会产生较大的压力损失。针对这种情况而设计的冷却液泵应具有合适的特性曲线场，并且能稳定地输出所需的高功率。为选择合适的材料，必须确保其具有一定的耐腐蚀性，为此研究人员要采取相应措施以避免其受到冷却液导电性的影响，同时避免堆芯漏电电流的出现。Pierburg公司旗下的研究人员设计出了可用于燃料电池的主冷却液泵。该款主冷却液泵的电压为12 V，功率为45 kW。研究人员通过设置较高的通用件比例，并采用已投入批量生产的零件，从而有效降低了成本，同时确保了系统可靠性和品质。在为商用车而开发的系统框架中，由于采用了高电压驱动方式，主冷却液泵相应具有较高的功率需求。在商用车上，除了已使用的400 V(HV2b)系统之外，800 V(HV3)系统的电压也成为了研究人员的关注焦点。专门为商用车而新开发的冷却液泵已按照上述2种电压等级和相关要求完成设计，其电功率高达2?kW，因而具有广阔的应用前景(表2)。5 氢再循环增压器 PEMFC在阳极侧供应氢燃料。氢燃料通过减压阀和计量阀而进行输送，其储存压力可根据负荷状况从目前通用的70 MPa逐步降低到1~3 MPa。为了改善燃料电池中的反应过程，供应的氢混合气的化学计量比大于1，堆芯出口处的混合气浓度也可根据实际运行过程进行调节。根据所采取的运行策略的不同，这种混合气在堆芯的单元或二元再循环过程中实现重新输送，并采用了喷射器。由于其运行范围有限，通常与由电机驱动的主动增压器相组合，从而被称为氢再循环增压器。主动再循环过程扩展了燃料电池的运行范围，因而使动力总成系统在设计和应用方面具有更高的自由度。其他优势则体现在对混合气均质化程度的改善，并有助于堆芯除湿和循环扫气过程的进行，由此具有更高的效率、更长的使用寿命及更好的动力学性能，同时也改善了冷起动性能。因此，目前大部分车用燃料电池系统都配备了主动再循环功能，其对于商用车系统有着较高的重要性。Pierburg公司旗下的研究人员通过设定，使该系统可通过400 V 电压进行运作，而且可为采用800 V工作电压的商用车提供氢增压器，并覆盖了4~6 kW 的电功率范围(表3)。系统所应用的单级侧通道泵送单元是1类低压旋转式流体机械，其有着较好的静音性，并可有效降低节流损失。此外，氢增压器还配备有冷却水套，从而能确保发动机以全负荷工况实现连续运行，并且在冷起动时可为氢增压器除霜。为了防止外部泄漏，研究人员通过设计，使介质所在区域与电子器件之间实现了密封隔离，并在生产流水线终端进行氦气泄漏检验，从而确保其品质。为了使全新的燃料电池汽车成功投产，必须遵循欧盟EG79/2009法规的规定和限值要求。为了进一步确保系统在整个使用寿命期内能安全可靠地运作，研究人员应预先按照DINEN60079-1标准对静态O型圈缝隙存在的碗形密封失效情况进行研究，并相应调整组件之间的缝隙尺寸，从而避免沿堆芯方向出现着火击穿现象，同时降低制造过程的成本。6 结论和展望 燃料电池在商用车领域已取得一定的技术突破。由于可实现较长的行驶里程，且燃料加注时间较短，因而燃料电池汽车相比蓄电池电动汽车具有更好的经济性。除此之外，在各类替代能源中，氢能更适于进行储存，从而使其成为车用能源转型过程的关键所在。基于多年来在燃料电池领域开发的经验，Pierburg公司已开发出全新产品，从而能满足未来新一代商用车燃料电池系统在品质、安全性和使用寿命等方面的要求。文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期作者：[德]SROTHGANG等整理：范明强编辑：伍赛特本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
目前，内燃机对于实现低碳排放目标仍起着重要作用。混合动力汽车及电动汽车已取得了一定技术进步，而内燃机热效率的持续提升又有利于电驱装置充分发挥技术功效。采用大流量废气再循环(EGR)，提高压缩比并实现稀薄燃烧是内燃机用于提高效率的核心技术。针对燃烧过程的优化及新型燃烧技术的开发对车用发动机的技术发展起着重要作用。概述目前车用发动机的技术发展趋势，描述基于汽车电驱动化进程而开发的发动机技术，着重论述了影响未来发动机燃烧技术的关键问题，同时介绍了发动机的全新燃烧理念与燃烧方式等研究成果及发展前景。0 前言为解决汽车工业快速发展过程中的各类问题，研究人员通过采用先进技术有效改善了内燃机排气净化及运作过程。最近，随着日本国内政策的不断引导与支持，日本政府在逐步推广纯电动汽车(EV)，并将其投入实际应用。同时，为满足日本国内的低碳需求，研究人员仍须进一步提高发动机热效率。本文首先阐述了日本社会与经济的发展趋势及汽车普及情况，概述了车用发动机技术的进展，随后对可用于汽车电驱动系统的发动机进行了展望，并对影响未来发动机燃烧过程的关键技术进行了研究。 1 社会需求与发动机技术的新进展如图1所示，随着二战后社会经济的逐步复苏，日本国内的汽车产业得以飞速发展，由此引发了多种社会问题，特别是由于汽车排放而导致的环境气候的恶化现象，以及对人体健康带来的危害。研究人员通过在日本各地对汽车废气排放进行调查研究，对排放标准提出了进一步要求。为满足社会需求，日本政府制定了全新的排放法规，并逐步收紧排放法规限值。近年来，为抑制地球温室效应，研究人员须进一步降低汽车CO2排放，同时实现发动机的高效率化，并进一步改善汽车燃油经济性。如图2所示，研究人员通过测量由汽车所排放的碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)及排放颗粒物(PM)，计算出了上述排放物总量的变化过程及各车型产生排放物所占的比例。在由柴油车产生的排放物中，NOx及PM 约占85%。在由汽油车产生的排放物中，HC约占60%。随着法规的逐步强化，源于汽车的污染物排放量开始逐步降低。就目前而言，除了光化学氧化剂及PM5之外，其他排放物基本已可满足相应的环保标准要求。为满足上述排放法规要求，研究人员开始以提高发动机性能并改善燃油经济性为目标而进一步开展研发过程。包括发动机零部件技术在内的许多重大突破主要得益于先进的数值计算方法与分析技术。研究人员在汽油机的如下技术领域中均取得了一系列进展：(1)针对燃油供给系统中的精确空燃比控制、减速时的停缸技术；(2)针对火花塞的技术改良及高能点火技术；(3)针对气门驱动系统中凸轮驱动方式的改良及基于相位与可变升程的控制技术；(4)针对爆燃过程进行优化并降低泵气损失；(5)采用包括废气再循环(EGR)、增压系统在内的进、排气系统改良技术；(6)为降低机械损失而采用了润滑、冷却等技术。此外，在柴油机技术领域，4气门系统、缸内直接喷射技术、EGR装置、中间冷却系统、可变截面涡轮增压系统及共轨式喷油系统等领域均取得了一系列进展。研究人员通过采用氧化催化剂及柴油机排气颗粒过滤器(DPF)，并降低NOx催化剂的排气后处理系统，逐步实现了降低排放与提高整机热效率的技术目标。 2 汽车电驱动化时代的发动机技术从2017年起，汽车电驱动系统得以飞速发展，其发展过程主要与以下因素存在密切联系：(1)主要国家地区(如西欧、中国、美国加利福尼亚州等地)的政府及相关部门出台支持政策，并提供经济补助；(2)各大汽车生产商(OEM)的经营方针。在欧洲，以大众柴油机排放门为契机，研究人员重新制定了针对传统内燃机汽车的排放法规，并提出了应对环境问题的解决措施，同时将逐步引进EV与插电式混合动力汽车(PHEV)。在中国地区，政府部门除了采用相关环保政策之外，同时也在大力推进新能源汽车(EV、燃料电池汽车(FCV)、PHEV)的制造与销售进程。如图3所示，在最近十几年中，中国的乘用车保有量得以飞速增长，OEM 也在通过各种方式对中国汽车市场的发展趋势进行深入了解，并探索相应的战略方针。与上述发展趋势相呼应，,汽车工业的产业结构也发生了一系列变化，不同行业的从业人员也逐步加入到汽车领域中来。随着世界范围内新能源汽车的逐渐普及，各大车企有针对性地扩大经营规模，以实现标准化发展。同时，各大车企也加强了与电气设备OEM的合作，并确保电池供应体系的构建与完善，从而逐步搭建起基于该领域的技术平台。为了适应当前汽车电驱动时代的需求，发动机技术也逐渐呈现出多样化趋势，各种混合动力系统也得到了充分发展。混合动力汽车(HEV)仍需要随车携带传统化石燃料，因此不断提高发动机燃油经济性依然是重中之重。随着对阿特金森循环等技术的有效应用，HEV预计可将整车燃油耗降低约20%~50%。目前，研究人员已将燃烧控制技术、降低冷却损失及抑制爆燃的相关技术列为亟待解决的重要课题。就PHEV而言，其技术优势与HEV相似。PHEV 可有效延伸整车续航里程，并充分降低了燃油耗。但在电池容量增大的同时，由于整车质量增加，会相应引发燃油经济性恶化及成本上升等问题。对此，研究人员建议可将纯电驱动作为基本行驶模式，而用最大功率约为20 kW 的小型发动机作为增程器。同时，研究人员也在力求改善发动机摩擦现象，同时使动力装置实现轻量化，并视情况采用阿特金森循环。 3 发动机燃烧技术的发展1 新型燃烧方式为实现车用发动机的高效率化，研究人员须利用先进的零部件技术。在充分考虑了冷却损失的前提下，研究人员对热释放系数进行了研究。在燃烧持续期内，由于在热释放开始阶段下指示热效率逐渐提高，因此研究人员有必要对燃烧持续期进行着火定时控制。如果最高压力被限制在较低的水平，在燃烧持续期较短的情况下，研究人员须相应推迟热释放开始时刻。在燃用稀薄混合气的条件下，为缩短发动机燃烧持续期，部分研究人员提出了有效利用预混合燃烧的方案。目前，研究人员对均质充量压缩着火(HCCI)技术的关注度与日俱增。HCCI技术在汽油机低负荷工况下可充分发挥作用，但在变工况条件下，适当地控制混合气的自着火过程有着较高难度。而通过火花点火方式能可靠地使部分混合气进行燃烧。目前使稀薄混合气实现压缩着火并对快速燃烧进行控制的方法已进行了实用化。除了利用可变气门驱动系统以实现压缩比的可变过程，并利用机械增压以实现进气量控制之外，研究人员还通过采用高压汽油的直接喷射方式形成合适的混合气，同时利用大流量EGR降低燃烧温度，由此减少NOx排放量。与此同时，研究人员利用各气缸中设置的燃烧压力传感器，并根据采集的负荷、转速、机外温度、气压等参数，可实现对燃烧过程的精确控制。研究人员对预混合压缩着火(PCCI)技术也开展过许多研究。在该燃烧方式中，虽力求同时降低NOx与炭烟排放，但如果增加喷射量，会使混合气浓度提高，并使燃烧过程过于粗暴，所以该燃烧技术通常仅在部分负荷工况下得以应用。目前也有相关研究表明，除了采用大流量EGR之外，可通过米勒循环降低有效压缩比，即使在高负荷工况下也能实现平稳的燃烧过程，并大幅降低NOx与PM。同时，研究人员通过调节膨胀比，能使热效率保持不变。未来，研究人员可通过对喷射、燃烧控制等相关技术的有效应用，扩大发动机高效运转区域。近年来，研究人员对反应可控压缩着火(RCCI)技术进行了研究。在该燃烧过程中，以预混合气的快速燃烧作为增加等容度的主要方式，并能实现较高的指示热效率。在多种负荷条件下进行的稳定着火控制，抑制剧烈的热释放过程并确保燃烧效率是目前亟待解决的重要课题。为了进一步提高热效率，研究人员认为上文所述的PCCI燃烧技术有着较好的应用前景，同时为扩大发动机的高效运转区，须相应采用进排气控制、燃料喷射控制等先进技术。2 燃料-空气混合与燃烧燃料-空气混合气的形成对发动机燃烧过程有着重要影响。图4表示采用计算流体动力学(CFD)得出的多种燃烧方式条件下的热释放率与50%燃烧过程中当量比φ-温度T的分布示意图。燃烧反应过程主要受以下因素影响，主要包括燃料供给方式、定时的燃料-空气混合气的形成过程及燃烧气体的φ-T 分布。在普通的柴油燃烧过程中，即便在混合气着火后，缸内仍在继续进行燃油喷射。在经分层后的混合气稀薄化处理过程中，喷雾及燃烧过程还在继续进行。虽然着火及燃烧过程的可操纵性较好，但同时降低NOx与炭烟仍是亟待解决的课题。就PCCI燃烧方式而言，通常在压缩行程中会采用多种喷射策略，使混合气实现分层，并且NOx的排放量较高，而炭烟排放量则相对较低。在该工况条件下，研究人员通过延迟喷射即可延长燃烧持续期，进而降低压力升高率。在HCCI燃烧过程中，通常会在进气行程中供应燃油，使稀薄混合气实现压缩点火。虽然NOx与炭烟的排放较少，但受化学反应速度的影响，对着火及燃烧过程进行控制有着较高难度。在压力上升率较高与负荷较低的条件下，燃烧效率会相应降低。在RCCI燃烧过程中，由于研究人员对2种燃料比及燃料喷射定时进行了调节，因此可有效抑制NOx与炭烟排放，并可实现稳定的着火及燃烧控制过程。目前，在低负荷工况下改善燃烧效率并在高负荷工况下降低燃烧噪声等课题仍亟待解决。随着近年来计算机科学的快速发展，针对发动机燃烧过程的CFD技术得到了长足发展，预测精度也大幅提高，并成为了当前研究开发过程中不可缺少的工具。目前，研究人员仍需要进一步提高预测精度，并对燃料-空气的微观混合形态进行观测。如图5所示，在由研究人员所提出的随机过程理论模型中，最初分离着的燃料(燃料质量百分数Y=1)与空气(Y=0)实现湍流混合，并按照随机过程理论而逐步形成均匀混合过程。该混合过程应用了相关研究人员所提出的二体碰撞及再分散模型，该模型利用由湍流特性所决定的频度ω，在1个较大流体块经历了碰撞及融合过程后，将其分解为2个相等的较小流体块。研究人员通过对ω的时间积分定义无量纲时刻η(该数值与1个流体块的平均碰撞次数一致)，并可用于表示混合度。换言之，到η=2时，是按分散浓度进行分布的状态，但在逐渐达到η=6的状态后，浓度会接近于正态分布。η=12时，浓度会更接近于平均浓度Yo，表明了其可形成均匀的混合气。在图5中，不同颜色图案表示燃料在空间均匀破碎时的浓度分布状况。因此，作为湍流混合过程的评价指标起着重要作用。此外，ω 与湍流强度u'与积分比例L 存在数值关系，可通过ω=4u'/L 的公式来进行计算。研究人员利用该模型对柴油无因次燃烧过程进行了预测研究。计算中，得出了随时间变化的热释放量及压力过程。研究人员可相应计算出燃油喷射量、喷油定时、涡流比、EGR条件下的缸内压力及热释放率，从而合理地预测NO生成量的变化。通过该模型，研究人员可得出燃料-空气的不均匀度与浓度、燃烧后的温度与NO生成速度的概率分布。研究人员通过应用基于随机分析系统(RANS)的CFD仿真，能有效记录各个计算单元内的微观混合情况。研究人员通过引入反应动力学计算方法，也能将其应用于柴油机的PCCI燃烧过程中。此外，除了能通过无因次计算以预测喷雾着火过程之外，研究人员可根据实测的压力、放热率而得出基于混合时间的变化函数，由此可对多次喷射时的排气进行预测。通常，研究人员认为在强湍流场中对于点火不确定性与循环变动的预测结果，以及对由壁面碰撞而产生的流动过程的观测过程也起着重要作用。3 燃烧室壁面附近现象的说明通过采用最新的燃烧系统设计方案，研究人员能对各种各样的发动机技术规格及运转条件实施最佳的燃烧控制，但如要进一步改善燃烧过程并提高热效率，仍有许多后续工作需要开展。研究人员就燃烧室壁面非稳定热传导问题，运用了如图6所示的等容燃烧装置及高响应性热流束传感器(Vatell，HFM-7)，通过气体射流火焰及均匀混合气的传播火焰对壁面热流束变化进行了计测。图7是在采用预燃方式的条件下(温度为950 K，压力为2 MPa，氧气浓度为21%)，从喷孔直径为8 mm 的喷嘴中以喷射压力为8 MPa，喷射持续期为9 ms的参数喷射了氢燃料并使其自行着火燃烧后的结果。图7示出了缸内燃烧压力p，放热率dq/dt，平均温度Tave及在燃烧室壁面的2点P1、P2处测算出的热流束qhf的时间与喷射后的时刻t 的关系。图7(a)中的号码对应于图7(b)中逆光摄影图像的时刻，喷雾在与容器壁面相碰撞后(图像①)，在喷射后的25 ms内在P2附近着火，dq/dt数值随之急剧增大(图像③)。火焰在到达P2(图像②)，并进行快速传播(图像④)，随即进行扩散燃烧，在图像⑤时到达P1工况点。在喷射过程结束后(图像⑦)，dq/dt数值随之减小，同时火焰亮度有所降低(图像⑧、图像⑨)。qhf对应于以上燃烧区域的变化过程，P2在图像④，P1在图像⑥的时刻急剧增加。P2在扩散燃烧持续期(图像④~图像⑦)，持续保持相对恒定的值，随着火焰亮度的降低(图像⑧、图像⑨)，qhf也得以缓慢减小。P1在图像⑦出现极大值之后，qhf数值同样有所减少。此外，P2相比于P1之所以qhf数值较高，是由于在P2附近，着火燃烧的气体由于存在绝热压缩现象而具有较高的温度。根据上述情况进行分析，对燃烧室壁面附近的着火过程得出了2项结论：(1)在该燃烧过程中存在较大的热损失；(2)在可燃混合气自行着火燃烧的过程中，使qhf的数值相对较高。而且，为了对燃烧过程中热传导的状况进行直接观测，研究人员采用了具有5根微细热电偶的传感器，并测算了壁面附近的温度分布。该5根微细热电偶分别为A、B、C、D、E，其中A、B、C线材直径为25 μm，D、E线材直径为75 μm，伸长距离为δ。图8(a)表示了从点火后到燃烧结束时的燃烧室内压力p，放热率dq/dt，各热电偶的温度T，局部热流束qhf的持续时间与点火后的时刻t 的关系。图8(b)除了表示qhf与T的关系之外，根据由压力变化而计算出的未燃气体温度Tu及在温度传感器附近进行放大拍摄的逆光摄影图像(图8(c))截取2个时刻的图像作为实例(分别为90 ms与45 ms)，并在火焰锋面接近壁面约5 mm并持续14 ms后，示出了火焰锋面与壁面的距离x。图8中相应示出了各热电偶的δ 值，在缸内温度急剧升高的时期，同时在相同的线材直径条件及δ 值较大的情况下，温度增长速度较快。在δ 相同的条件下，线材直径越细小，时间常数会相应提前。T及qhf会随着未燃气体的压缩加热而缓慢地增加，由于火焰锋面的接近，dq/dt 数值得以明显增大。相比于qhf在火焰锋面到达壁面后成为极大值，T 极大值的出现存在滞后现象。尽管研究人员充分考虑到了热电偶信号的时间常数，并对此进行补偿，T的极大值也比火焰温度更低。由于T 的极大值会随着δ 的减少而降低，研究人员认为T的数值大小能在某种程度上影响到边界层内的温度分布。根据在各种条件下进行同样测算的结果，可得出如下趋势。在燃烧温度较高的条件下，由于压缩加热导致温度与热流束的形成速度快速增加，同时由于温度梯度较大，qhf也会相应变大。近年来，研究人员正在开展针对壁面附近现象的测算研究与模型试验。以发动机燃烧室壁面的热流束为例，研究人员历来通过热电偶对其进行测试，并按照非稳定传热分析而进行计算。在柴油机领域，由于燃烧室壁面碰撞而使热流束增加的现象会限制热效率的提高，因此研究人员目前正运用多个传感器以对热流束进行测算并对燃烧现象进行研究。同时，研究人员利用激光电子式传感器(LES)进行燃烧室壁面碰撞喷雾动态与局部热流束分布的数值分析，并研究了火焰接近壁面附近时的放大摄影图像，根据对温度边界层厚度的推定结果，从而对传热系数与热流束进行验算。近年来，利用壁温回转式隔热膜以改善热效率的效果引起了研究人员的关注。研究人员采用基于激光诱导荧光法(LIF)的壁面温度测算方法，并充分利用粒子图像测速法(μPIV)，对壁面附近的气体进行流动测算。相关燃烧机理说明上述方法正有效地应用于发动机的燃烧室设计过程中。此外，基于薄膜测温电阻器式的微电子机械(MEM)技术的相邻多点热流束测试传感器已得以成功开发，可期待其将在今后的发动机测试领域中得以应用。 4 结论上文概述了可有效满足社会需求的车用发动机技术的进展，并对汽车电驱动时代的相关发展条件进行了展望。随着环境及物质需求的变化，社会各界对汽车性能的要求也在逐步提升。目前，按照节能降耗的技术观念，研究人员仍须持续提高发动机热效率。燃料-空气混合气的形成过程、燃烧室壁面附近燃烧现象及其控制技术将是未来数年间的重点研究领域。本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期作者：[日]塩路昌宏整理：彭惠民编辑：伍赛特本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
汽车杂志。我看了3年了。呵呵，是这本书，让我从菜鸟鸟逐步的了解，熟悉
龙源期刊网或者博看网或者吾喜杂志网上都可以看到。网址在网上一搜就出来了。用手机回答不好弄那地址。
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采用智能滑动轴承，可以在运行期间监测高负荷组件的磨损状态。Miba公司开发了自带电源的新型轴承传感器，以此对在工作状态下的发动机轴承状况进行监测，从而降低维护成本和排放。0 前言研究人员在开发新型发动机时，必须考虑到持续变化的环境法规和效率目标，同时还要考虑如何降低开发、验证和运行的成本。因此，除了摩擦损失外，研究人员也应对机型的开发、验证和上市时间等因素进行重点考虑。考虑到曲柄连杆机构的复杂性，研究人员应始终考虑到设计过程期间可能遇到的折中问题，并非所有关键设计特征都能以所要求的精度实现仿真。研究人员在仿真过程中虽然会考虑到运行条件、工况及与生产密切相关的特征，但仍需要在发动机试验程序中对总体情况进行验证。特别是在进行样机试验时，发动机的可用性和安全运行对于成本和时间要求至关重要。在验证阶段，研究人员可以通过提供各种滑动轴承的运行参数来支持开发步骤，从而有助于实现上述目标。 1 数字化概念与信息 研究人员为智能滑动轴承集成了轴承传感器、信息传输和数据分析功能，包括发动机曲柄连杆机构中的所有轴承，从而可对其进行评估。活塞销衬套目前不在研究人员的开发范围之内，但必要时仍可将该部件实现集成。研究人员目前正在考虑将旋转部件或运动部件的无线传输和通信的标准协议集成到电子发动机环境中。图1为该概念的示意图。当研究人员采用了传感器技术和传输部件后，需要对部件进行特殊调整，以应对工作状态下发动机的严苛运行条件。研究人员需要建立1个将物理值和经验值与大数据分析相结合的混合评估系统，以评估轴承传感器所提供的数据。该指标可以通过智能接收器实现，或者由接收器与发动机控制系统或监控系统实现共享(图2)。 2 智能滑动轴承系统的组件 目前，研究人员可通过多种方式监控发动机轴承。借助润滑剂，在润滑剂通过轴承之后直接在轴承上或轴承中进行测量(例如通过喷溅润滑系统)；也可采用完全独立的系统(例如油雾检测器)进行监控。 3 针对不同轴承设计和评估数据的轴承传感器 研究人员关注的重点是布置了轴承上或轴承内的系统部件。表1概述了关于传感器读数和轴承设计的传感器选项。由表1可知，传感器技术必须与不同的轴承设计相匹配，并且特定的传感器只能传递限定的物理量和数据。第1种方法采用了温度传感器。此外，研究人员还开发了薄膜传感器技术，从而可以在表面附近进行更直接的测量。研究人员为了更好地了解轴承的运行状态，可以采用多个传感器，并将其数据传输到智能接收器中进行评估。从而可识别出原型中的偏差，例如形状偏差。图3示出了采用多个温度传感器的典型应用，并将其用于识别形状偏差和局部轴承现象，例如摩擦引起的临时磨损。为了更接近轴承表面，研究人员目前正在开发1种薄膜传感器，并已成功通过了第1步鉴定过程。图4示出了这种薄膜传感器的横截面，该传感器可用于轴承内的不同区域。该图还示出了无铅溅射轴承的不同功能层的结构。传感器区域中的轴承在厚度仅有几微米的薄膜上运行。因此，传感器开发的最大挑战之一是减小传感器厚度，以避免影响测量信号。如图4所示，研究人员设计了1个非常薄的传感器并对其进行了首次试验。这种薄膜传感器不仅可提供温度值，还可提供压力值，因此也能用于轴承-曲柄系统的设计与负荷标定。研究人员同时还对其他与轴承无关的系统进行了监测，但到目前为止，尚未找到评估依据。 4 无线信号传输 主动或被动无线信号的传输过程具有多种选择，其均适用于热机油、高加速度和使用空间极其有限的特殊环境。此外，不同的传感器信息需要不同的传输频率，例如，与遵循运行周期的压力相比，温度通常具有较低的频率要求。表2概述了旋转部件的数据传输选项。自备电源意味着旋转部件上必须布设有电源。由于还需要传输高频测量值，因此自带电源的主动系统通常优于被动系统。图5示出了用于发动机试验装置的系统(安装在试验连杆上)及对发生器壳体进行的设计过程。为了将传输数据降至最低，研究人员直接在发生器中进行模拟/数字(A/D)转换。壳体设计(均来自LEC公司)针对整个发动机运行周期，研究人员在发动机试验台上对直列6缸发动机进行了多次试验，充分证明了其在极端温度条件下(含油环境)的性能。通过试验证明，能量收集系统能为在恶劣工作状态下的发动机提供所需功率。 5 发动机控制与监测系统的接收器和接口 目前，接收器直接与发动机和试验台控制系统相连接。尽管如此，除了基本的接收器功能外，智能接收器还将为曲柄连杆机构监测系统的各个级别提供部分或完整的评估过程。通过各种有线或无线接口，例如蓝牙、控制器局域网络(CAN)和通用异步收发传输器(UART)连接到整个监控系统，其中蓝牙连接用于遥测系统。该项设置适用于开发过程，并具有良好的性能。研究人员可对所有组件进行开发且不会使其受到相互影响。然而，为了确保系统中的某些智能化功能，研究人员需要将所有测量值和一些发动机系统数据集成到数据分析系统中，以进行下一步计算。 6 数据分析与曲柄连杆机构评估系统软件设计采用含有3个级别的分层方法。图6为流程示意图，其中也包含用于数据评估的各种输入。级别1———传感器错误检测：首先，研究人员必须按顺序正确地记录测量结果，然后针对短期和长期性能的不同，并将其转换到各种算法中。传感器的性能通常受运行条件的限制，并且还可能受到其他设备的干扰。在监测过程中可能会出现许多不同的传感器错误，例如异常值、缺失值、因干扰造成的误差，以及完全故障等。检测异常和错误的方法包括：(1)简单的统计方法，例如滑动平均、低通滤波、自回归滑动平均和卡尔曼滤波等；(2)基于机器学习的方法，例如基于密度的、基于聚类的和基于支持向量机的异常检测。在第1个原型中，研究人员通常采用滑动平均算法来检测是否存在失误。级别2———评估运行风险和偏差：要分析运行风险和短期性能，必须了解轴承类型在最佳运行和故障之间的基本特性。研究人员将用于确定物理极限的现有数据(例如在轴承试验台上获得的数据)与各种算法结合在一起，以便将这些极限值传输到实际的发动机环境中。为了确定偏差，需要采用包含多个传感器的方法。传感器测量值的局部差异有利于评估形状偏差和局部轴承现象。级别3———剩余使用寿命：可以根据轴承类型和实际使用的传感器，通过集成数学方法评估长期性能。根据历史记录和发动机实际运行情况进行预测，以优化轴承使用寿命。 7 系统验证 研究人员采用了各种方法来验证系统的功能和稳定性。第1步是在试验室环境中证明新技术的适用性。如果成功，下一步就是将轴承试验台中的功能结合在一起，其中的温度、负荷和机油状态等相关参数反映了发动机轴承所处的环境。图7示出了适用于载重汽车发动机用滑动轴承的典型试验台配置。在LEC公司的发动机试验台上，研究人员对13LMAND2676欧6发动机进行了稳定性和功能原理的最终验证。适用性试验涵盖了各个工况点及基于全球重型卡车试验循环(WHDTC)的瞬态试验。图8示出了发动机及相应的试验室。尽管研究人员最初并未设置疲劳强度，但这些组件已经提供了预期的信息。由于已完成所用传感器和信号传输的改进优化，因而可以为客户进行初始安装。 8 结语和展望 研究人员基于智能滑动轴承而开发了1种曲柄连杆机构监测系统，该系统集成了轴承传感器、有线和无线传输及全新的数据分析方法。在试验室、轴承试验台和工作状态下，研究人员对发动机几种不同的组件分别进行了试验。为了完成曲柄连杆机构评估的所有3个级别，传感器必须与轴承类型和发动机应用相匹配，并且需要进一步开发数据分析，数据分析还可以充分反映长期影响。目前为止，所有信息均已得到证实，在发动机开发中采用轴承监测，有利于通过避免和减少曲柄连杆机构故障来提高原机型的可用性。通过相应的传感器设计和安装，还可以获得偏差信息，从而优化结构。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第4期作者：[德]?RAUFISCHER等整理：李媛媛编辑：伍赛特本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
与传统的涡轮增压器或机械增压器相比，内燃机采用机械涡轮复合增压系统具有更多优势。机械涡轮复合增压系统将机械增压、涡轮增压和驱动耦合装置集成在一起，通过涡轮轴和连续可变传动机构(CVT)之间双向传递扭矩的高速驱动系统，能够在涡轮轴和发动机曲轴之间实现对总传动比的控制。由于避免了超速和涡轮迟滞的限制，涡轮的高效设计成为可能。日本五十铃汽车公司认识到了机械涡轮复合增压系统的优势，和日本超级涡轮技术公司共同评估了机械涡轮复合增压系统相对于传统的涡轮增压器的收益。该研究记载了数年来对机械涡轮复合增压器的仿真、开发和发动机试验验证，描述了对8 L柴油机的稳态性能的优化研究。在瞬态响应性能和驾驶循环效率提升相关研究的基础上，阐述了机械涡轮复合增压系统与传统涡轮增压器不同的工作方式，以及如何通过精确控制和平衡增压压力、空燃比、高压废气再循环(EGR)、增压功率和耦合至发动机的功率来提高发动机的稳态性能。机械涡轮复合增压系统的灵活性高，可根据制造商的目标，通过控制策略来平衡或聚焦优势。研究结果包括对排放的影响、通过涡轮和压气机的基础气动设计和控制策略以实现排放最小化。0 前言 机械驱动的涡轮增压系统能够控制涡轮转轴的速度，由此不仅可以提供高效的增压压力，而且能够实现涡轮功率的输出。发动机可以通过该装置控制增压压力和空气流量，可以在发动机全工况实现性能和排放的最优化。机械涡轮复合增压系统具有较多优点，包括瞬态循环效率、冷起动性能、低氮氧化物(NOx)排放性能、小型化、降转速、后处理需求的减小、发动机有效功率的提升和更为简单的性能优化控制算法等。本研究重点阐述了8 L柴油机采用机械涡轮复合增压系统获得的稳态效率。日本五十铃汽车公司认为，对于商用车而言，未来柴油机动力仍是主流，提高商用车的燃油经济性对于抑制全球气候变暖是非常重要的。五十铃汽车公司重点关注能够高效利用废气能量的机械涡轮复合增压系统，将其作为改进柴油机燃油效率的1项措施。废气涡轮增压器只能在可获得足够废气能量的工况下发挥作用，但是机械涡轮复合增压系统通过机械驱动装置将涡轮轴和曲轴直接连接，可以回收更多的废气能量，减小废气能量损失。本文重点讨论了模拟仿真方法，以及该方法在实际发动机上进行的验证，同时也阐述了机械涡轮复合增压系统的技术优势。1 模拟仿真 2011年，五十铃汽车公司和超级涡轮技术公司合作开展了1个项目，评估了1台8 L柴油机采用机械涡轮复合增压系统可获得的收益(图1)。该项目的研究初衷是为了评估柴油机采用机械涡轮复合增压系统潜在的效率收益和发动机的运行性能，但在评估过程中，工作重心改变为聚焦发动机减小排量和降低转速的研究工作，采用更高的功率强化技术和对系统进一步优化，以达到最高的热效率。1 初步研究本次研究通过建立1台8 L基准发动机的仿真模型，开展建模研究。发动机模型在GTPower软件中运行，对基准发动机的功能和性能进行了标定。同时，建立了1个机械涡轮复合增压系统模型，并与基准发动机的可变几何涡轮增压器(VGT)进行了比较。基准发动机和减小排量的发动机分别定义了A、B、C、D 4个运行工况点，用于仿真计算(表1)。完成这些对比后，定义了小排量发动机更高功率的新运行工况点，这些工况点成为新发动机项目的运行点。减小排量后的发动机的目标是取代原8 L大排量发动机，同时保持功率、扭矩，以及瞬态响应时间不变。2 初步的模拟仿真结果减小排量的发动机运行工况点确定后，在GTPower软件中开展了发动机的模拟仿真。发动机的涡轮、压气机和运行条件经过微调但发动机物理结构参数没有改变。在发动机的满负荷工况，由A、B 和C3个工况点的结果可以看到热效率有大幅提升，同时高压废气再循环(EGR)流量增加、NOx排放降低。但是部分负荷工况点D的热效率仅有小幅提升，这一工况是热效率的主要关注点。仿真计算的结果数据见表2。在初步仿真计算结束后，研究通过改变压缩比和配气正时等方式提高工况点D的热效率。压缩比的评估结果显示，压缩比提升到5，同时进气阀关闭相位IVC延迟20 °CA，热效率和总体性能可以实现最佳平衡。基准发动机的压缩比提升到5，进气阀关闭相位的几种延迟角度仿真结果数据见表3。由于压缩比的增加，工况点C的缸内最高燃烧压力超过了限值，建议将工况点C的功率降低。在对涡轮设计的评估中，可以认为工况点C的效率降低是在可接受的范围内，因此重点关注工况点D的效率。通过预测评估，得到涡轮和压气机的特性图谱，同时确定增压系统的设计目标。通过迭代设计，形成了几种涡轮方案，并对这几种涡轮方案进行了评估计算对比，如表4所示。匹配“V31”涡轮方案的发动机可以在所有运行工况点实现排放和效率的最佳平衡。初步的模拟仿真结果显示，实现更高的扭矩目标通过提高总效率是可以实现的，因此建议转入样机开发阶段。 2 样机开发 在第1阶段仿真计算的基础上，转入实际样机的硬件开发阶段。项目目标是采用压缩比为5、进气阀关闭相位延迟20 °CA 的米勒循环、机械涡轮复合增压器进行仿真研究。原机的压缩比为5，采用奥托循环和VGT增压器，后又被改为两级增压，如图2所示。工况点C的平均有效压力达到05 MPa时，缸内最高燃烧压力超过了限值，因此工况点C的平均有效压力改为85 MPa。样机硬件的开发经过多次迭代，历时6年。经过仿真计算、设计、加工，以及在8 L发动机上进行验证，对驱动涡轮增压的硬件不断地进行改进设计，提高其性能、耐久性，并进行简化设计，降低制造成本。机械驱动的涡轮增压器可以通过皮带传动系统或者是通过齿轮式功率输出装置与发动机连接。该8 L发动机的机械涡轮复合增压系统是通过齿轮式功率输出装置驱动的，包括1个离合器，能够在发动机起动工况或怠速工况，以及紧急停车工况断开驱动装置与涡轮轴的连接，这是因为发动机起动工况和怠速工况下不需要提供增压压力(图3)。涡轮轴的转速可以通过1个连续可变的行星齿轮机构进行精确控制，行星齿轮机构安装在发动机和增压器之间。在发动机转速较低时，采用1个行星齿轮箱将发动机的转速提高到驱动增压器所需的合适的转速范围。该行星齿轮箱未来会被集成式齿轮功率输出装置(PTO)淘汰。高速行星齿轮驱动系统通过泵轮的液压油可以平顺地将功率由发动机传递给涡轮轴或者将功率由涡轮轴传递给发动机。当发动机运行在稳态工况时，设计的涡轮可以获得更多的排气能量，不仅满足压气机所需的功率，而且可以给发动机提供额外的功率。当发动机运行在瞬态工况时，机械涡轮复合增压系统运行在超级增压模式。通过发动机传递给涡轮增压器的功率为发动机快速地提供增压压力，以减小涡轮迟滞。机械涡轮复合增压比常规的涡轮增压器效率更高，因为在超级增压模式涡轮还起到辅助提高增压的作用。在重型柴油机上，采用机械涡轮复合增压系统的涡轮迟滞时间比普通增压器减少50%以上。机械涡轮复合增压系统在车辆制动时也可以提供超级增压，使得缸内制动压缩功耗增加，为长途大型卡车提供更大的安全保障。1 样机的初始概念验证试验样机所建立的模型包括1个定制设计的涡轮和1个现有的涡轮。试验样机的配置如图3所示，通过试验系统的搭建和试验测试，得到该系统相对两级增压系统在效率方面的收益。第1次样机测试的试验硬件标准如表5所示。2个对比方案为:(1)1台8 L柴油机，压缩比为5，采用狄塞尔循环、N6HK1涡轮，降低发动机转速，减小发动机排量，实现目标转速和平均有效压力；(2)1台8 L柴油机，压缩比为5，进气阀关闭相位采用延迟20 °CA 的米勒循环，采用机械涡轮复合增压系统，降低发动机转速，减小发动机排量，实现目标转速和平均有效压力。试验测试显示，现有的增压器由于发动机喘振导致发动机在一些工况点无法运行。在其他运行工况的试验和仿真计算结果中可以看到效率的改善。因此，通过定制设计涡轮和压气机以更好地匹配发动机的运行工况。2 样机硬件配置1针对配置1的样机进行了多项改进，为替换现有压气机，定制设计了1个具有更高效率、更大的喘振裕度、更低运行转速的压气机。同时，对增压器的驱动机构进行了其他的改进设计，包括具有更高功率的全新连续可变行星齿轮机构。通过对压气机蜗壳的处理，增加了喘振裕度，采用1项新的轴系推力控制设计，取消了涡轮推力轴承及驱动机构上的被动式加载机构。初步的研究计划是发动机运行在更高压比和采用米勒循环正时系统，但是实际试验的发动机并没有做这些调整。在8 L发动机上进行这些改进，机械涡轮复合增压系统与原机的VGT增压器相比，在运行工况点A、B、D超过了仿真目标，结果如表6所示。为了低负荷工况及其他工况的效率，牺牲了运行工况点C的效率。2 3 样机硬件配置2在配置1的硬件完成后，将机械涡轮复合增压系统直接与新的两级增压系统进行了对比测试。通过对全工况脉谱图的对比，机械涡轮复合增压系统在一些工况的效率比两级增压的效率高，而在其他工况两级增压的效率更高。需要注意的是，配置1的样件是为米勒循环发动机而设计的，但是试验测试的发动机并没有采用米勒循环，所以在涡轮压气机叶轮与实际的米勒循环发动机匹配时，效率会更高。同时，其他部件的改进设计也会进一步提高效率。表7为对最终的样机能够改进设计和能够获得的收益所进行的预测。第5代发动机相对于第4代发动机的改进是驱动机构内部的优化。其他大的改进是为现有发动机不采用米勒循环而设计了新的涡轮和压气机。研究人员对新型38 mm 连续可变行星齿轮机构也进行了改进，使其传递功率更大，可以在更高的传动油温条件下连续运行。新改进设计的PTO去掉了行星齿轮，从而降低了行星齿轮传递损失，同时更换了更小的机械泵，也带来了效率的提升。在增压器驱动机构中增加离合器，可以在发动机起动和怠速工况下断开驱动连接，从而消除了怠速工况下的驱动功率损失。如图4所示，全工况运行脉谱图显示了配置1与两级增压相比的测试效率的对比数据。新配置与两级增压对比的预测结果如图5所示。高效率的特性曲线延伸到了发动机高速区域，由于离合器分离，去掉了发动机运行图谱的低速左下角区域。如图5所示，除了20%负荷以下区域及最高转速50%负荷周围很小的区域外，热效率都比采用两级增压的发动机更高，预测的最大效率提升达70%。研究人员搭建了最终的样机并进行了试验。如图6所示，在运行工况点的最终效率提升数值与预测值吻合的非常好。 3 机械涡轮复合增压系统1 机械涡轮复合增压系统调试装有机械涡轮复合增压系统的发动机与装有标准涡轮增压器的发动机运行特性不同。因为机械涡轮复合增压系统的涡轮转轴的惯量大小对于克服涡轮迟滞的作用不再关键，因此其涡轮和压气机叶轮可以设计得更大。由于机械涡轮复合增压系统的机械损失随着转速的增加而增加，叶轮直径大的增压器相对标准增压器可以降低涡轮转轴的角速度从而减少机械损失。大直径的涡轮可以更好地匹配排气进入涡轮的速度，同时可以保证涡轮内部径向叶栅的强度。由于大的涡轮效率更高，可以从排气中获得更多的能量，并通过耦合机构将功率传递给发动机。机械涡轮复合增压系统的另一设计准则是涡轮的“喉口”设计。更小的“喉口”会使得涡轮的功率更高，但是也增加了发动机的泵气损失。这种折中关系可以在发动机最重要的运行工况的设计阶段中进行优化。当发动机运行在高压EGR区域时，驱动EGR 所需的排气压力通常是驱动涡轮的压力。机械涡轮增压器的涡轮采用固定截面的涡轮，因此发动机在低转速时，驱动EGR 的涡轮截面尺寸确定了涡轮的“喉口”设计。由于采用标准涡轮增压器时，只要压力差存在，EGR流量就不会受到限制，能够容易地调整优化效率或排放所需的流量。同样，当EGR 流量改变，由于采用标准涡轮增压器，增压压力不会受到影响。在设计阶段完成后，机械涡轮复合增压系统通过连续可变传动(CVT)来改变涡轮的转速。高CVT速比产生更高的涡轮转速可以使发动机的进气流量增加，因此可以提高缸内的燃烧效率，尤其是在发动机低速工况。在发动机高速高负荷工况下，当增压空气量超过所需数量时，采用低CVT 速比，使得涡轮转速降低，而向发动机输出更多的涡轮功率。在给定的工况点，较低的涡轮转速和更小的空气流量可以降低NOx排放，增加EGR 流量。这样可以直接控制空气流量，在发动机低速工况提高增压压力、增加空气流量，在高速工况降低增压压力、减小空气流量，相对于传统的涡轮增压器是比较有利的，因为传统增压器在低速工况增压压力较低，而在高速工况增压压力又超出限制。采用机械涡轮复合增压系统可以在各转速工况下提供给发动机最优的空气流量，而不像采用传统增压器的发动机只能在一定的运行工况点空气流量最优，而在其他工况点并不是最优的。图7~图10为通过改变EGR阀的位置及改变机械涡轮复合增压系统的CVT 速比获得的规律曲线。图7为工况点A 在不同EGR 阀位置和CVT 速比条件下EGR率和增压空气流量的关联关系的仿真结果。与采用VGT涡轮增压器及EGR阀时的非线性结果相比，采用机械涡轮复合增压系统，通过EGR 阀位置控制EGR率，通过CVT速比控制增压空气流量，控制曲线划分的区域近乎完美。为了简化控制需求，可以使增压系统运行更加稳定。需要注意的是，当EGR完全关闭时，EGR的泄漏也已经考虑在内。图8和图9为工况点A 在相同的CVT 速比和EGR率条件下通过仿真计算得到的比油耗和NOx排放的图谱。燃油经济性和排放的折中关系通过这两幅图可以直观地看出来，CVT速比越大(空气流量越大)和EGR阀开度越小(EGR 流量越小)，发动机燃油经济性越好，但同时NOx排放越高。基于发动机的使用条件，可以选择最优的运行点使得燃油经济性最好并且排放最低。如图10所示，在CVT速比和EGR阀位置相同的条件下，对运行工况点A 机械涡轮复合增压系统输出到发动机的涡轮功率进行仿真计算。随着增压空气流量和EGR率的增加，涡轮输出的耦合功率增加，而且可以反向输出功率，意味着可以实现超级增压。这就阐明了机械涡轮复合增压系统可以通过涡轮轴额外增加或者输出功率来提供所需的增压空气流量和EGR流量，而不用考虑涡轮和压气机的功率平衡。2 机械涡轮复合增压系统的运行与标准的涡轮增压器相比，机械涡轮复合增压系统具有不同的运行特性和基本原理。涡轮增压器在稳定运行条件下，涡轮的功率与压气机和轴承损失功率之和必须平衡。因为没有功率从涡轮轴输入或输出，只能由涡轮传递给压气机，这就限制了涡轮增压器的运行。机械涡轮复合增压系统可以将功率由涡轮转轴输入或输出，因此不再受到压气机功率与涡轮功率平衡的限值。如果在发动机低速工况时，需要额外的压气机功率实现更高的增压压力，机械驱动机构从发动机曲轴获取功率输入涡轮增压器，机械涡轮复合增压系统可以实现超级增压。同样，如果涡轮功率超出了压气机需求的功率，多余的功率可以通过机械机构输出传递给发动机。图11通过对转速1 000 r/min满负荷运行工况点阐明了这个概念，为发动机运行工况提供所需的进气歧管压力。随着压气机和涡轮效率的提升，压气机所需功率降低，同时涡轮提供的功率增加。标准涡轮增压器在运行时，压气机和涡轮的功率平衡。当增压系统效率提高时，机械涡轮复合增压系统可以将涡轮多余的功率输出给涡轮轴，再提供给发动机。3 高压EGR高压EGR是柴油机控制NOx排放采用的常规技术措施。排气直接从排气歧管经过中冷器然后进入发动机的进气歧管，与增压进气混合稀释，从而减少发动机缸内NOx的形成。为了使高压EGR 系统能够运行，需要提供压力梯度来驱动EGR，排气歧管的压力必须高于进气歧管的压力，需要涡轮入口的压力能够提供足够高的排气能量，且远远超出了驱动压气机所需的能量。常规的涡轮增压器无法利用这些额外的排气能量，但是机械涡轮复合涡轮增压器可以将这些额外的能量通过涡轮耦合器输出给发动机。图12为基准的两级涡轮增压器和机械涡轮复合增压系统在相同转速、满负荷运行工况时的排气能量利用情况。基准两级涡轮增压器的涡轮能从排气中回收利用部分能量，而压气机则通过消耗能量来提供增压压力水平。机械涡轮复合增压系统能够实现更高的增压器效率，因为能量回收利用了额外的涡轮功率，将额外的功率输出到发动机，增加了发动机的综合效率。4 涡轮效率的比较当前的基准涡轮增压器是系列化的，采用旁通阀使得增压器运行在一定的特性区域。即使单个的涡轮或压气机的效率很高，但是由于在涡轮采用旁通阀，导致增压器从废气获得的能量转化为进气增压压力的总体效率较低。表8为发动机4个主要运行工况点的涡轮和压气机的功率流的评估。考虑到机械损失在内，基准两级涡轮增压器的功率流是基于液力轴承进行评估的。基准涡轮增压器必须使涡轮的总功率等于压气机功率加上机械损失功率，很多排气的可用能没有被利用。机械涡轮复合增压系统的机械损失较高，但是涡轮和压气机效率更高，因此能够从排气中获得更多的能量，而且把额外的能量传递给功率耦合器，转化为发动机功率。在工况点B和C时，由于机械涡轮复合增压系统的涡轮几何尺寸是固定的，涡轮入口的压力较高，从排气中额外获得功率。高排气压力导致发动机的泵气损失增加，但是回收到发动机的额外功率更多，足以抵消增加的泵气损失。表9为这些运行工况点涡轮和压气机效率的评估结果。尽管基准的两级增压器单独的部件效率可能较高，但是由于采用旁通阀和多级增压，导致总体效率的降低，特别是运行点B的效率较低。由于发动机运行工况在2个增压器的最优点，所以旁通阀开度较大。机械涡轮复合增压系统保持了更高的单级涡轮和压气机的效率。 4 结论 日本五十铃汽车公司对多年来模型仿真研究和样机试验研究进行了总结，在空气动力学和机械设计研究的同时开展了机械涡轮复合增压系统如何获得收益的研究。首先，机械涡轮复合增压系统可以通过额外的控制实现对增压压力和空气流量的精确控制；然后，机械涡轮复合增压系统可以将高压EGR 工况下涡轮获得的额外功率输出到发动机。通过模型仿真手段，对空燃比、EGR 流量和涡轮输出功率进行了控制，找到了最优的运行条件。随后，通过几轮次的硬件试验测试，修正了基本性能的预测值。研究主要关注了稳态工况下的效率收益，下一步研究将重点关注其他的收益，例如超级增压的效率、瞬态响应性能、驾驶循环效率、发动机有效功率提升，以及有害排放物的降低。由于发动机空气流量控制具有众多好处，加上很多可实现的收益，机械涡轮复合增压系统会成为发动机大幅提升效率的装置。其他改进的持续实现，将使得机械涡轮复合增压系统像常规涡轮增压器一样常见。图13为当前的机械涡轮复合增压系统与原来设计的机械涡轮复合增压系统的对比。其中的1个主要变化是将连续可变的行星齿轮机构集成到主壳体内，代替了原来采用的单独壳体，质量与原来的设计相比降低了14 kg。由于采用大框架尺寸设计，该机械涡轮复合增压系统可应用于5~0 L范围内的大多数发动机，只需要改动除定制涡轮机械部件外的几个部件。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第4期作者：[日]BSUELTER等整理：高英英 曹杰 编辑：虞展本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
《氢能:21世纪的绿色能源》百度网盘pdf最新全集下载:链接：-r5ErII9JFZYIA?pwd=8ptq 提取码：8ptq简介：本书是《21世纪可持续能源的丛书》之一。氢能作为21世纪的绿色能源，由于其清洁，便于储存和资源丰富的特点，在未来可持续能源中占有重要地位。本书收集了氢的基本数据和*研究发展的成果，全面系统地介绍了氢能的方方面面。包括开发氢能的必要性和迫切性；氢的基本性质；氢的各种制取和纯化方法；氢的储存和运输；氢在内燃机车、火箭、汽车、船舶、交通工具以及以氢为动力的燃料电池等方面的应用前景。本书可供从事氢能研究的化学、化工、材料学与工程等专业的技术人员、高等院校相关专业的教师、研究生参考，也适用于从事能源领域的科技人员、管理人员及一般读者阅读。
中国新能源汽车产业发展报告（2018-2020） (新能源汽车蓝皮书)pub 链接： 提取码：OKVM
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。 0 前言汽车制造商们一直在致力于提高燃油效率，以满足为未来制定的严格燃油经济性要求。除轻量化外，涡轮增压也已成为提高燃油效率并保证功率输出，进而实现发动机小型化的1种先进设计策略。但是，涡轮增压会导致发动机工作温度升高，通常会导致零部件故障。车用发动机零部件通常需要承受复杂的负荷条件和热循环。在发动机气缸盖内，高周疲劳(HCF)是由循环发火压力导致的，低周疲劳(LCF)是由发动机起动和关闭过程中热循环诱发的塑性应变导致的。针对气缸盖温度和压力的提升需求，开发了多种耐热铸铝合金，以供该新型发动机设计使用。通常，新型合金的热疲劳性能通过各种试验进行预测，如等温疲劳试验、热机疲劳(TMF)试验，以及其他热属性测量(热容量、热膨胀系数、导热系数等)。这些试验费用昂贵且耗时。此外，由于所有热属性的共同作用，估算得到的热疲劳性能准确度不高。热疲劳试验是将所有材料属性考虑在内的结构试验，等温低周疲劳试验和热机疲劳试验是获取材料固有疲劳属性的良好工具。对于合金的热疲劳试验，最准确和最直接的方法是进行零部件级的试验。试验利用喷灯对气缸盖上的燃烧室进行加热，利用水雾进行冷却。利用热电偶对临界位置的温度进行连续监测。在光学显微镜下对气缸盖进行周期性检查，直至其出现裂纹。但是，气缸盖成形及气缸盖热疲劳试验的成本都是非常高的。因此，只能进行小规模的热疲劳试验。本文提出了多种热疲劳试验装置及试验方法，所有这些装置和方法都各有优劣。Hayashi采用沙漏圆头哑铃形试样及专门设计的热压罐测试了304不锈钢的热疲劳强度。利用沸水堆(BWR)在水环境中的热水射流和冷水射流对试样分别进行加热和冷却。该试验系统的目的是要在BWR 模拟环境中研究304不锈钢的热疲劳特性。Meyer-Olbersleben等采用带刃状的楔形试样研究了镍基单晶高温合金的热疲劳特性。采用感应线圈加热刃状部分，由刃状前端的铜喷头进行空气冷却。试样中的热膨胀差异导致出现热应变和热应力。该设计的优点是试样几何结构简单且循环时间短，缺点是整个刃状部分的加热和冷却不均匀。Panda和Wei等采用具有类似设计但呈扁厚状的试样，利用气焊焊炬进行加热。Schneider等采用圆盘形试样，利用2盏卤钨灯进行加热。加热速率可达到1 000 °C/s。综上所述，良好的加热方法及合适的试样结构是设计高效可靠热疲劳试验台的必要条件。本文介绍了1种新型热疲劳试验台，提出了比较不同铝合金热疲劳性能的试验方法。 1 试验装置1 热疲劳试验台本研究采用的热疲劳试验台见图1。该设计借鉴了其他研究者能够提高效率的几项理念。在加热过程中，试验台采用具有特殊设计线圈的感应加热器对试样测量段进行局部加热。夹具是试验台的必要组成部分，功能是固定试样，同时为其提供冷却。夹具夹住顶部和底部的零部件末端，确保试样不会在热循环中变松滑落，且与夹具保持完全接触从而充分冷却。在热循环中，夹具由贯穿夹具中心的冷却回路持续冷却，吸收试样背部的多余热量，以防止其熔化。冷却液温度设定为60°C。在冷却循环中，利用位于测量段两端的2个喷头通过压缩空气对试样测量段进行局部冷却(图1)。快速加热和冷却会在测量段产生极端热应变。如图1所示，测量段的温度由高温计持续监控。在试样测量段的两端都涂有黑色的耐热涂料，从而能对温度进行准确测量。为确保温度测量的准确性，对涂料的发射率进行了标定。测量段中心需要承受最高的应变和温度，裂纹极有可能在该位置附近出现。利用砂纸对测量段环形孔的内表面进行了抛光处理，消除表面的机加工缺陷，从而易于观察出现的裂纹。抛光方向与裂纹方向垂直，以防止由于人工缺陷而导致出现裂纹。利用LabVIEW 软件控制热循环并记录温度。典型的热循环范围是10~40 s，可以对加热和冷却时间进行单独调整。2 热疲劳试样的几何结构热疲劳试样采用的设计即测量段出现的机械应变是由试样内的热应变及温度梯度引发的。试样是1个薄长方体，靠近一侧有1个环形孔，具体几何结构见图2。测量段的厚度逐渐变薄，从侧面看呈沙漏型。由于在加热循环中测量段的温度升高，试样剩余部分的温度较低，因此抑制了热膨胀及压缩应变的产生。在冷却循环中，测量段由压缩空气进行局部冷却，从而产生拉伸应变。试样较大的表面积将热量散发到空气中，且试样的背部始终通过夹具连续冷却。试样的测量段模拟的是最可能经受热疲劳冲击的气缸盖内的气阀桥，该气阀桥需要经受最极端热梯度。图3为试验所用气缸盖上燃烧室气口设计的典型结构。进、排气口之间的阀桥采用圆圈标记，在阀桥位置可以看见裂纹。利用有限元分析工具对试样结构进行优化，从而可以在合理的时间框架内实施加速热疲劳试验。为确定最优的试样结构，以及确保裂纹出现在预想的位置，进行了多次重复试验。3 热疲劳试验过程如上所述，热疲劳试验是比较不同材料热机属性的理想方法。采用4种气缸盖铝合金材料用于比较。同时，需要进行1项初步试验以了解加热速度与电流输入之间的关系，获取出现裂纹的循环数。利用这些信息可以确定热循环时间，以及估算出相应的裂纹出现循环数。该研究中使用的材料被分别命名为合金1~4。这些合金之间的差异分别为微量元素添加量及热处理工艺。基于保密性的原因，无法公开这些合金的具体成分。试验采用2种方法:1种是固定加热电流输入，并在达到特定循环数时停止试验;另1种是在稳定循环中固定最高温度，并在达到特定循环数时停止试验。试验采用的3种条件见表1。条件1为400 A 固定电流输入。条件2为450 A 固定电流输入，但加热时间缩短了5 s，从而与条件1相比具有类似的最高温度。条件3为稳定循环过程，固定最高温度为280 °C，由于不同的合金具有不同的热属性且电流输入会发生变化，因此对于电流输入也会相应进行调节。表1 该研究中采用的试验条件 所有试验在2 000个循环时停止，将试样切割开，并利用扫描电子显微镜(SEM)对试样进行检验。根据初步试验确定终止循环，在试样未完全断裂之前就可以观察到合理数量的裂纹。确定裂纹出现的起始位置是1项艰巨的任务，因为塑性变形导致试样表面极为粗糙，很难识别小裂纹。为此建立了裂纹计数标准，以量化裂纹数量，且仅计算长度超过50 μm 的裂纹。裂纹长度定义为裂纹两端端点之间的直线长度。该计数标准为比较4种合金的热疲劳性能提供了合理的统计基础。针对合金1和合金3，在每种试验条件下对2种试样进行了测试。针对合金2和合金4，在每种试验条件下对3种试样进行了测试。尽管结果和讨论不受影响，但由于试样数量有限，还是进行了折中处理。2 结果与讨论多数裂纹都位于测量段中心附近且方向与主拉伸应力方向垂直，具体实例见图4。在试样表面上可以清晰看到大量塑性变形。由于极端温度和塑性应变的原因，与高周循环疲劳中常见的裂纹不同，裂纹会以不规则形状进行增长和扩散。每个试样在不同试验条件下观察到的裂纹长度如图5所示，其中每个点代表1条观察到的裂纹。1 电流输入的影响为了比较不同合金之间的热机性能，将电流输入设置为恒定值，热容、热膨胀系数和导热系数等合金的热属性共同决定了测量段产生的机械应变。由于试样的热属性及气孔等缺陷，最高温度也会发生变化。该研究中采用的合金是铸铝合金，在铸造过程中，缩孔和气孔是常见的缺陷。结果显示，与合金1相比，合金2、合金3和合金4具有大量的缩孔和气孔。试验中观察到的最高温度结果见表2。合金1的最高温度是最低的，并且变化不大。合金2、合金3和合金4的最高温度更高，且因为试样不同而最高温度差异很大。这些结果出现的内在原因是合金组成、热处理和铸造缺陷。如图5所示，在2种试验条件下都未能观察到合金1中的裂纹长度超过50 μm。这主要因为合金1的最高温度很低，由热梯度导致的机械应变也相应最低。其他3种合金的裂纹数量和长度各异。电流输入越低，加热时间越长;电流输入越高，加热时间越短。因此，2种试验条件下的最高温度基本相当。试验条件1显示，多数裂纹长度都短于300 μm，在合金3和合金4中可以观察到几条长裂纹。试验条件2显示，合金2具有更长的裂纹。由于在该研究中仅测试了几个试样，因此如何判定哪种合金更好，裂纹平均长度无法给出有意义的结论。据此仅能得出如下结论:在电流输入相同的条件下，合金1具有更佳的抗热疲劳性能。表2 不同合金在相同试验条件下的最高温度2 最高温度的影响设计试验条件3用于验证如下假设，即合金1在试验条件1和2下观察到的较低的最高温度不是合金1具有更佳抗热疲劳性能的唯一原因。试验条件3中的最高温度被设定为280 °C。需要注意的是，由于机械应变是由所有热属性相互作用决定的，因此，相同的最高温度无法确保在测量段出现相同的机械应变。如图5(c)所示，合金1仍具有最少量的裂纹且所有裂纹长度均短于100 μm。另一方面，合金2、合金3和合金4具有更多的长裂纹，最大裂纹长度可长达400 μm。结果显示，合金1确实比其他合金具有更佳的抗热疲劳性能。 3 结论为了研究和比较4种铸铝合金的热疲劳性能，开发了1套新型热疲劳试验台，并建立了相关试验方法。结果显示，合金1在所有试验条件下都具有比其他合金更佳的抗热疲劳性能，成功验证了试验台在合金抗热疲劳性能方面的定性比较能力。本文提出了采用固定电流输入和固定最高温度的2种试验方法，且2种方法的试验结果一致。与其他昂贵的试验过程相比，该试验可用作成本和时间相对高效的合金选择工具。为确保试验台及试验方法的可靠性和适用性，还应对其他合金进行深入研究。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期作者：[美]?WJLAI等整理：田永海编辑：虞展本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。
功率范围为500 kW~4 MW 的大型高速发动机仍是众多机械设备的主要动力来源。为了进一步提高其效率和功率密度，有必要将最高燃烧压力提高到30 MPa以上。AVL 公司结合设计方法，早期采用计算机辅助工程(CAE)技术，以及大量的仿真来验证这些解决方案，并将在单缸发动机上进行试验。1 新一代发动机的市场驱动力全球对电能的需求以及对船舶、油田应用、铁路和建筑业驱动系统的需求在不断增加，这都是推动未来柴油和燃气发动机发展的最重要的市场因素。当前的生产数据显示，对于功率超过500 kW 的发动机，约95%的发电机组发动机和约75%的船用发动机采用了转速大于1 200 r/min的高速发动机(图1)。目前，正在开发新一代大型高速发动机，将与尺寸和质量更大、成本更高的中速发动机在燃油效率和功率密度方面进行竞争。同样地，在高度集成的系统或者混合系统中，内燃机的热效率仍是每款新发动机开发的重点。此外，到2030年欧洲会有针对性地将温室气体排放减少40%，以此促进可再生能源的发展。因此，天然气发动机和沼气发动机将发挥至关重要的作用。 2 高速发动机的市场要求对于功率范围在500 kW~4 MW 的高速发动机而言，最大的挑战之一是其应用范围广泛且具有特定要求。例如，船用领域涉及恒定转速为1 200~2 100 r/min可变转速的推进动力以及运行转速主要为1 800 r/min(60 Hz)的辅助动力。尤其对游艇而言，对与低负荷系数相关的功率密度要求非常高。在发电中，最大能源效率在要求较长使用寿命的连续发电过程中起着决定性作用。另一方面，可靠性对于采矿、油田等条件苛刻的应用至关重要。从运营商角度来看，决定性的购买标准主要是功率密度、瞬态负荷特性、服务间隔及可靠性。对于最终客户而言，最重要的是采购和运行成本及燃料灵活性。对发动机制造商来说，零部件通用性、模块化和低成本的生产是成功产品的标志。 3 热力学基本理念大型高速发动机的功率密度在很大程度上取决于应用和相应的负荷系数。采用高负荷系数的应用多为低功率密度和中等功率密度(平均有效压力在8~1 MPa之间)，例如矿用车辆、建筑机械、商用船舶和发电等。在这些应用中，每个气缸的气缸功率通常为100~170 kW。应急发电机的平均有效压力可达1 MPa，这代表了当今高速发动机的最高水平。目前正在开发每缸最大比功率密度为225 kW、平均有效压力(BMEP)为3 MPa且具有较低负荷系数的高功率船用动力，应用于体育摩托艇等领域。目前，市场领先的高功率发动机的最高燃烧压力为23~25 MPa。对于新一代高速柴油机和燃气发动机来说，最高燃烧压力提高了功率及热效率的潜能。以50 Hz备用发电机为例，发动机每缸比功率约为200 kW 时，具有20个气缸的发动机可产生超过4 MW 的功率，最大燃烧压力约为25 MPa。将最高燃烧压力提高到30 MPa，可在相同边界条件下使气缸比功率增加到每缸260 kW。如图2所示，更高的气缸比功率可以使功率为4 MW 的发动机的气缸数从20个减少到16个，或者可以使20缸发动机的功率覆盖到5 MW，这通常是大型中速发动机专有的功率范围。以满足美国环境保护署(EPA)Tier4排放水平的50 Hz备用柴油发电机组为例，本文详细介绍了最高燃烧压力提高到30 MPa对有效热效率的影响。通过以下3个改进措施将燃油效率提高了7%左右:(1)将燃烧重心前移到约8°CA BTDC的热力学最佳值;(2)将压缩比提高5;(3)将燃烧过量空气系数提高15%。即使将选择性催化还原(SCR)还原剂考虑在内，仍可节省燃油约5%。为了充分提高功率和效率，需要改进其他所有系统组件，如燃烧系统、点火或喷油系统、增压系统及配气机构等。更高的热力学要求会显著增加所有动力单元部件的热机械负荷。此外，在新发动机系列的设计阶段还需要考虑其他设计方面的内容。其中包括:(1)采用模块化设计，使所有应用中的柴油机和燃气发动机的部件最大程度通用化;(2)与燃气燃烧相比，由于柴油燃烧的气体温度更高，所以其壁热损失更多;(3)柴油机和燃气发动机的燃烧室部件的热量输入各不相同，柴油机的活塞燃烧室将热负荷转移到气缸盖底板，而采用预燃室或开放式燃烧室的燃气燃烧则增加了对活塞顶的热量输入(图3);(4)包括预燃室气阀在内的气体扫气式预燃室应集成在与柴油机共轨喷油器相同的空间内。4 气缸盖设计AVL公司根据所选择的通道结构和气缸盖螺栓进一步优化气缸盖设计，以实现更高的燃烧压力。在给定的边界条件下，旋转45°的气门模式和6个气缸盖螺栓的设计是针对结构刚度、通道布置、鼻梁区冷却，以及最小气缸间距等方面的最佳折中方案。这种全新的结构设计理念显著降低了气缸盖底板偏转，通过提高气缸盖底板刚度，大幅降低了气门导管和气门座磨损的风险。 5 气缸盖冷却AVL公司“自上而下”气缸盖冷却理念的基本原理是先将冷却水输入上部水套，然后精确地将冷却水分配到排气门鼻梁区热负荷较高的区域，如图4所示。这可以大幅改善局部传热，并使气缸盖底板关键区域得以温度下降15~20 ℃。采用“自上而下”的冷却理念，就可以用相对较薄的底板铸造下部冷却水套，尤其是在鼻梁区域。在高负荷区域中，由温度变化引起的塑性变形显著减小，由此大幅降低了热机疲劳。此外，采用扫气式预燃室的燃气发动机也可受益于这种冷却理念。这是因为预燃室的有效冷却对平均有效压力较高的高效燃烧概念至关重要。基于仿真的优化设计结果表明，即使在高达5 MPa的平均有效压力和超过30 MPa的最高燃烧压力下，部件温度仍保持在可接受的范围内。 6 活塞设计为了应对活塞在极端热负荷和机械负荷下所面临的各种设计挑战，AVL 公司与KSKolbenschmidt公司合作开发了1种组合式钢活塞。针对30 MPa的最高燃烧压力，可以为柴油机和燃气发动机及不同的燃烧方式提供压缩高度相同的各种燃烧室形状。通过活塞顶外部区域得以机加工分型面，实现了活塞冷却的第一道活塞环最高位置与活塞结构之间的折中，从而使第1道活塞环区域及活塞顶外部区域得以充分冷却(图5)。为了向活塞冷却通道供应足够的润滑油，将2个活塞冷却喷嘴安装在活塞销座的两侧。结合采用电控机油泵，可在低负荷运行时调节滑油供给。通过全面的计算流体力学(CFD)仿真以及试验台试验提高目标精度，并根据油压调整润滑油量。 7 连杆设计由于机械负荷较高，所以对连杆小头润滑设计提出了非常高的要求。对高负荷的大型高速发动机而言，常见的解决方案是通过连杆的纵向孔进行加压润滑，其缺点是存在轴瓦空蚀风险且制造成本非常高。通过优化活塞销座和连杆小头的成型孔及优化活塞和连杆小头的润滑油孔位置，无需加压润滑也可在最高燃烧压力下为连杆小头提供充足的润滑。这2种采用和不采用加压润滑的解决方案都是可行的。通过大量的有限元法(FEM)仿真优化活塞销座的结构刚度，从而改善磨合行为并避免连杆轴承的边缘负荷。 8 气缸衬套设计全新的大型高速发动机平台所需润滑油消耗通常低于05 g/(kW·h)。特别是对于高功率燃气发动机而言，为了避免润滑油引起提前点火，需要使燃烧室内的润滑油量尽可能少。对柴油机而言，较低的润滑油消耗有利于减少颗粒物排放。对于高负荷的高速发动机来说，顶置湿式气缸套概念(图6)是衬套上部区域冷却与衬套变形的最佳折中方案。该概念与优化的活塞环组相结合，可确保润滑油消耗较低。 9 结语和展望为了进一步提高功率范围为500 kW~4 MW 的新一代大型高速发动机的效率和功率密度，有必要将最高燃烧压力提高到30 MPa以上。针对气缸盖和整个气缸单元的热负荷和结构负荷较高等多种设计挑战，AVL公司成功地提出了相应的解决方案。AVL公司结合设计方法，早期采用CAE 技术及大量的仿真来验证这些解决方案，下一步将在单缸发动机上进行试验。所有组件均已为更高的功率密度和5 MPa及以上的平均有效压力作好了准备。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期作者：[德]?GFIGER等整理：李媛媛编辑：何丹妮本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。