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康明斯公開發(fā)表的論文顯示已經(jīng)實現(xiàn)了無余熱回收49.9%發(fā)動機熱效率，本文將詳細介紹實現(xiàn)無余熱回收49.9%發(fā)動機熱效率的技術路線。 在介紹實現(xiàn)高熱效率之前需要介紹幾個相關的效率，分別為閉口循環(huán)效率、開口循環(huán)效率以及機械效率，具體公式如下： 上式中：GIMEP為gross indicated mean effective pressure； PMEP為pumping mean effective pressure； FMEP為friction mean effective pressure。 三個效率之間此消彼長的關系 柴油機高稀釋比已經(jīng)成為了滿足未來排放法規(guī)必要的技術措施之一，圖1為空燃比對閉口循環(huán)效率影響，從圖中可以看出隨著空燃比增加，閉口循壞效率明顯提升。但是當空燃比進一步提高時，閉口循環(huán)效率的增長率降低，主要是由于進一步提高空燃比會使渦輪入口溫度降低，流動損失增加。提高空燃比能夠提高γ并且降低缸內溫度從而使散熱損失減少，最終使閉口循環(huán)的效率提升。 圖1 空燃比對閉口循環(huán)效率的影響 圖2為空燃比對開口循環(huán)效率的影響，從圖中可以看出，隨著空燃比增加，開口循環(huán)效率逐漸降低。因此在提高空燃比時應該考慮其對開口循環(huán)效率的影響，不能為了提升閉口循環(huán)效率而持續(xù)提高空燃比。 圖2 空燃比對開口循環(huán)效率的影響 與此同時閉口循環(huán)效率的提升會使機械效率降低，如圖3所示。提高空燃比勢必使缸內平均有效壓力提升，缸內平均有效壓力的提升會使活塞環(huán)與汽缸壁之間的法向力增大，活塞裙部負荷增加，從而使摩擦損失增加，降低了發(fā)動機的機械效率。在提高峰值缸內壓力時，需要考慮其對機械效率的影響。 圖3 閉口循環(huán)效率和機械效率之間的關系 提升閉口循環(huán)效率 下文將詳細介紹康明斯公司如何來提升發(fā)動機的閉口循環(huán)效率。圖4為不同壓縮比時發(fā)動機P-V圖，提高壓縮比使壓縮終點壓力明顯升高，同時也使有效輸出功增加。這會提升閉口循環(huán)效率和有效膨脹比。 圖4 不同壓縮比時發(fā)動機的P-V圖 圖5為不同壓縮比和空燃比下閉口循環(huán)效率和有效膨脹比分布圖，從圖中可以看出高壓縮比能使發(fā)動機的閉口循環(huán)效率以及有效膨脹比顯著提升，與此同時較高的空燃比也能提高閉口循環(huán)效率。 圖5 不同壓縮比和空燃比下閉口循環(huán)效率和有效膨脹比分布圖 圖6為不同壓縮比和空燃比下閉口循環(huán)效率和燃燒持續(xù)期分布圖，從圖中可以看出較高的壓縮比和空燃比使燃燒持續(xù)期大幅縮短，最高可縮短5°曲軸轉角，較短的燃燒持續(xù)期使燃燒后期缸內溫度降低，從而使散熱損失減少，提高有效熱效率。 圖6 不同壓縮比和空燃比下閉口循環(huán)效率和燃燒持續(xù)期分布圖 圖7 提高噴油速率對燃燒以及閉口循環(huán)效率的影響 提高開口循環(huán)效率 渦輪增壓器以及EGR策略優(yōu)化 渦輪增壓器以及EGR與發(fā)動機的匹配設計是發(fā)動機實現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出的關鍵。為了提高發(fā)動機閉口循環(huán)效率，進氣量需要提高。與此同時為了降低發(fā)動機的原始排放，采用了低壓EGR策略。圖8為渦輪增壓器工作平衡以及換氣損失圖，優(yōu)化渦輪增壓器工作過程的措施包括減少散熱損失、提升BMEP以及減小空燃比。
圖8 渦輪增壓器工作平衡以及換氣損失圖 為了降低散熱損失，康明斯設計了低散熱系數(shù)的排氣管，圖9為優(yōu)化前后的排氣管熱傳導量對比，從圖中可以看出，優(yōu)化之前的熱導率最高可達4192W/m2，而優(yōu)化之后的排氣管熱導率僅為1349W/m2，較沒有優(yōu)化之前降低了67.8%。
圖9 優(yōu)化前后排氣管熱傳導量對比 通過優(yōu)化排氣管熱傳導率可以使發(fā)動機熱效率提升0.32%，熱效率的提升得益于閉口循環(huán)效率以及開口循環(huán)效率的提升。優(yōu)化排氣管熱傳導率結合高效的渦輪增壓器可以使熱效率提升0.69%。
圖10 排氣總管優(yōu)化對熱效率的影響 提升機械效率 圖11為減少機械損失分布圖，從圖中可以看出，第二代機型相比于基礎機型油泵效率升高，主要原因是為了降低活塞與氣缸套之間摩擦而設置了潤滑系統(tǒng)，從而使油泵的負荷增大。氣閥機構、曲軸與軸承以及活塞與缸套之間的摩擦損失有較大幅度的降低。
圖11 減少機械損失分布圖 熱效率優(yōu)化結果 圖12為熱效率優(yōu)化結果圖，從圖中可以看出平臺優(yōu)化對熱效率提升貢獻了29%，NOx和AFR系統(tǒng)優(yōu)化對熱效率提升貢獻了12%，燃燒系統(tǒng)優(yōu)化貢獻了19%，空氣系統(tǒng)優(yōu)化貢獻了17%，輔助系統(tǒng)優(yōu)化貢獻了11%，整體優(yōu)化貢獻了11%。
圖12 熱效率優(yōu)化結果 圖13為優(yōu)化前后閉口循環(huán)效率、開口循環(huán)效率以及機械效率對比，從圖中可以看出優(yōu)化后的有效熱效率達到了49.9%，閉口循環(huán)效率達到了52.35%，開口循環(huán)效率達到了100%，機械效率達到了95.37%。
圖13 優(yōu)化前后閉口循環(huán)效率、開口循環(huán)效率以及機械效率對比 總結 提高發(fā)動機熱效率是一項系統(tǒng)性工程，與之相關的參數(shù)大都存在的此消彼長的關系，因此應該全面系統(tǒng)地研究，才能實現(xiàn)綜合熱效率的提升。（來源：內燃機學報） |
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