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。
被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。0 前言近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。FCV 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。 1 丰田公司燃料电池系统丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。 2 燃料电池堆燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。丰田公司通过对燃料电池流道及MEA 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度(1 kW/L 与0 kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。1 高电流密度化电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。2 降低浓度超电压在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL 及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。3 降低电阻超电压为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。 3 燃料电池堆的水管理控制为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。1 基于交流阻抗法的含水量计测图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。2 燃料电池堆的自加湿控制TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。3 燃料电池高温运转时的水管理控制以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。4 0 ℃下起动时的水管理控制燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。5 降低含水量控制通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。6 快速暖机控制在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。 4 结语本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期作者：[日]?今西啓之等整理：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。
为研究燃油和机油特性及两者组合等对低速预燃的影响及其作用机理，进行了许多试验，如将燃油和机油组合、开展矩阵试验等，以确定低活性机油是否能抑制高活性燃油的低速预燃特性，反之亦然。结果显示，芳香族含量高或者蒸馏温度较高的燃油会提高低速预燃的发生率，磺酸钙等机油添加剂能显著提高低速预燃的发生率，而磺酸镁等机油添加剂倾向于降低低速预燃的发生率;低速预燃活性低的燃油对试验所用的机油并不敏感，低速预燃活性高的燃油被低速预燃活性低的机油减弱。与预期一样，低速预燃活性高的燃油和低速预燃活性高的机油组合，会产生大量的低速预燃现象。研究方法适用于机油或燃油各自对低速预燃特性影响的研究，同时也适用于两者共同对发动机低速预燃特性影响的研究。研究结果有助于理解不同配方的机油或燃油对低速预燃特性的影响，尤其是由于地域差异导致各地具有不同的燃油规格和机油添加剂标准。 0 前言为提高发动机效率以满足当前和未来的CO2排放法规，发动机的发展趋势是小型化和低速化。为保持车辆性能，需要发动机匹配涡轮增压器以输出较大的扭矩。这使发动机易于在一种非正常燃烧工况下运行，明显不同于传统预燃工况。这种非正常燃烧通常被称为低速预燃(LSPI)。目前，许多研究旨在找出低速预燃现象背后的机理。国际上主要有2种理论可以解释引起低速预燃现象的原因，分别是液体飞沫理论和沉积理论。液体飞沫理论是指活塞缝隙区域的液体发生自燃，使火焰传播燃烧提前，最终导致发动机缸内发生强烈的爆燃。依据液体飞沫理论的假设，预计燃油和机油特性将会影响低速预燃的发生。Kosis等在之前所做的试验中，研究了机油配方和燃油特性(化学成分)对低速预燃特性的影响，但是没有将两者进行结合研究，而采用普通燃油测试所有的机油,或采用普通的机油测试所有的燃油。许多文献将燃油特性和机油特性对低速预燃特性的影响分隔开来进行研究。Kassai等发表了一篇燃油和机油特性对低速预燃特性影响的研究文献，依然将燃油与机油的影响分隔而论。这些研究结果显示，磺酸钙等机油添加剂有助于提高低速预燃的活性，而磺酸镁等机油添加剂则更易于降低低速预燃的活性。同时，芳香族含量高的燃油会提高低速预燃的活性，较高蒸馏温度(70~100 ℃范围)的燃油也会提高低速预燃的活性。这些研究的局限性在于仅以某种机油作为参照改变燃油特性，或者以某种燃油作为参照改变机油特性，进行单因素影响的规律研究。在许多研究中，将一种低速预燃活性中等的机油或燃油作为参照，适用于机油或燃油特性各自对低速预燃特性的影响，也适用于机油和燃油共同对发动机低速预燃特性的影响。在确定了各种机油和燃油特性对低速预燃的影响后，接下来需要研究机油和燃油两者的相互影响。为此，利用早期系列试验中的燃油和机油原料，集合成小的矩阵。这能将燃油和机油进行组合，呈现出全范围的低速预燃发生率。该研究将机油和燃油形成不同的组合，旨在确定低速预燃活性低的燃油是否能够抵消低速预燃活性高的机油对低速预燃特性的影响，反之亦然。同时也研究了发动机中同时存在低速预燃活性高的燃油和机油时发生低速预燃情况的关键问题。这些试验的结果并不能确保与全球市场上真实燃油和机油的结果具有可比性。试验所用燃油和机油均是专用设计，对市场上的燃油和机油中多种添加剂等细节忽略不计。然而，通过低速预燃特性试验结果可以较好地预测燃油或机油的特性。 1 试验方法在0 LGM EcotecLHU 发动机上进行了低速预燃研究。表1为该发动机的规格参数。发动机装有温度、压力和流量测量仪。图1示出了测量仪的布置点，表2示出各种测量仪的精度。由于该发动机具有较高的缸内爆压(压力约40 MPa)，因此采用AVL 公司的GU22CK压电传感器进行缸压测量。为了保持研究的一致性，采用文中定义的试验术语，详见表3。试验循环中去掉了低负荷/转速工况的试验段，因为之前的数据显示低速工况的预燃次数少，对试验结果的影响较小。图2示出改进的试验循环，发动机转速固定于2 000r/min。每一试验段先进行2 000个稳态循环，然后在特定工况下进行25 000个循环试验。试验段之间包括暖机、冷却和短暂的过渡工况。表4为发动机在高负荷/高速工况下的试验条件。根据燃油的剩余量，试验运行5个或者7个试验段。 2 试验方法1 低速预燃的确定选择2种试验变量来识别发动机是否发生低速预燃:(1)峰值压力(PP);(2)2%已燃质量的曲轴转角位置(MFB02)。低速预燃时峰值压力超过了阈值，MFB02可能超过也可能未超过阈值，一般通过量产发动机上的爆燃传感器可以监测到低速预燃现象。仅MFB02超过阈值的低速预燃现象不可能由爆燃传感器监测到，也不会对发动机造成损坏，但是试验中不希望发生这种不受控制的燃烧过程。这种分类系统包括仅有峰值压力超过阈值的循环，但通常不认为会发生预燃现象。峰值压力阈值用于区分使发动机损坏的循环和过早发生的燃烧现象，但不会发展为严重恶化燃烧的循环。在该试验程序开发期间，发现仅峰值压力超过阈值的循环与其他2种循环相关。经研究，认为所包含的这些循环基于同一种假设而得出，即由于相同的机制引起较晚的燃烧相位。图3示出仅峰值压力超过阈值的低速预燃循环的可视化研究及其气缸压力曲线。由于此时燃烧室内可视光较少，燃烧室某些地方和火核部位亮度较高。缸内点火时可以看到2个火核，一个火核在火花塞附近，另一个与预燃相关的火核出现在进气门附近。使用格拉布斯准则剔除异常值，当峰值压力或MFB02值与特定发动机气缸和试验段中的设定值不一致时，可认为是发生了低速预燃。如果发生了以下任何一种情况，那么该发动机气缸和试验段中的1个工作循环被确定为异常值:(1)峰值压力> 峰值压力平均值+7× 峰值压力标准偏差;(2)MFB2 试验矩阵基于可获得的燃油和机油量及之前研究中低速预燃发生的次数，低速预燃试验从金属添加物矩阵中选择了3种机油(机油G、L和N)，从燃油成分矩阵中选择了3种燃油(燃油7、9和10)。文中使用的燃油通过精炼油合成，并非单一成分，合成后的燃油类似于市场的实际燃油，但是一些参数仍需要严加控制。使用不同的精炼油，可合成不同的成分等级和不同沸点的燃油，而其他规格却维持在恒定水平。为了涵盖美国和欧洲各个等级的典型商用燃油，选择了4种成分等级的燃油。在之前的研究中，低速预燃发生次数较多的机油和燃油被标识为“劣质油”，低速预燃发生次数较少的机油和燃油被标识为“优质油”，不易发生低速预燃的燃油芳香烃含量低，沸点较低，沸点在T70~T90范围内。文中不易发生低速预燃的机油，硫酸钙含量通常较低。图4示出低速预燃循环的平均次数和范围(高于和低于平均数的区间)。在之前的研究中，试验燃油运行时搭配1种基础机油,而试验机油则搭配1种基础燃油。该研究选择了6种燃油/机油组合，如表5所示。在3种机油试验中，燃油7数量充足，而燃油9的供给则非常有限，所以用燃油9与低速预燃发生频率中等的机油G 组合进行试验。采用机油G和燃油7组合运行，进行5个试验段。这是为了确保有足够的燃油剩余量，来进行“劣质机油”和“优质机油”与燃油7的组合试验，剩余的组合则进行7段试验。为了验证试验的复现性，在试验矩阵的初始和结尾，开展对基础燃油和基础机油(DEXOS许可的商用5W-30机油)的组合试验，如表6所示。 3 试验结果采用6种燃油/机油组合，共发生346次低速预燃(基础试验除外)，1缸和4缸低速预燃次数最高，如图5所示。74%的低速预燃事件为单循环，其中，燃油10(芳香烃含量高的乙醇燃料)和机油L(硅含量高、锌含量低)的组合低速预燃发生率占69%。图6示出6种燃油/机油的组合，通过传感器监测到发生低速预燃循环的总数。燃油9和燃油10的低速预燃循环包含峰值压力和MFB02同时超过阈值的循环，仅MFB02超过阈值的循环。燃油7与机油N或机油L组合，都不会发生低速预燃循环。为检验均方根(低速预燃+5)的变化，通过图7所示的燃油/机油组合(包括2个基础机油试验段)及高负荷/高速条件下的试验段，进行方差分析比较。表7为方差分析结果。燃油/机油组合试验中，均方根(低速预燃+5)为5%，统计差异显著，试验段的影响作用不明显。均方根误差(RMSE)为52，模型残差与正态分布假设不冲突。表7 燃油机油组合方差分析结果通过“图基法”多重比较试验确定哪个燃油/机油组合与其他组合显著不同，结果示于图8。对各种燃油/机油组合的平方根(低速预燃+5)值进行最小二乘法处理，平方根通过方差分析获得，处理值示于蓝色菱形区域。图9示出各个最小二乘法的图基于95%置信区间，以显示被测燃油/机油组合之间最小二乘法的差异性。结论如下:(1)在2个基础试验段，并未出现显著差异。(2)燃油10与机油L组合后，相比其他燃油/机油组合，均方根(低速预燃+5)明显更大。(3)燃油9(低速预燃发生率中度)和机油G(低速预燃发生率中度)组合后，运行明显不同于燃油10(低速预燃不良)和机油N(低速预燃良好)的组合。(4)如果不考虑与燃油组合的机油，相比其他燃油/机油组合，燃油7(低速预燃发生率小)的均方根(低速预燃+5)明显更小。(5)与机油L相比，机油N与燃油10组合，低速预燃发生率约降低50%。如图9所示，在5或7高负荷/高速试验段中，均方根并无明显差异(低速预燃+5)。 4 结论试验结果显示，发动机燃用正常的或者低速预燃发生率高的燃油时，使用低速预燃发生率低的机油可以降低低速预燃的发生率。低速预燃的发生率降低到使用基础燃油/基础机油组合时的水平，大约是低速预燃发生率高的燃油和基础机油组合使用时的50%。这种机油并不能消除低速预燃的发生，但是相比实际使用中可预测的发生率而言，发生率下降50%，改善效果也十分显著。使用低速预燃发生率较低的机油，同时发动机使用低速预燃发生率小的燃油，改善结果非常显著。与低速预燃发生率低的燃油进行组合，低速预燃发生率接近于零，明显超越了机油对低速预燃的影响。试验所用燃油为石蜡含量高的低沸点T90燃油，这种燃油不满足当前的ASTM 汽油规范，所以研究结果更倾向于学术性，而非市场实用性。相对于机油，燃油对低速预燃发生率具有更强的影响作用。低速预燃发生率低的燃油可完全忽略机油产生的影响，机油仅能部分抵消燃油对低速预燃的影响作用。但试验结果显示，采用低速预燃发生率低的机油可显著降低使用“劣质”燃油所致的低速预燃高发生率。结论表明，开发能反映此事实的机油配方对于现阶段发动机控制低速预燃发生率有益。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期作者：[美]?MCKOCSIS等整理：高英英编辑：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。
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。
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投稿方式:邮箱：sae830@sae- 网址： 《汽车工程》：创刊于1979年,是由中国汽车工程学会主办并编辑出版的、综合反映我国汽车行业研究水平的学术性期刊，在国内汽车科技学术界具有较高的权威性和影响力，被美国《工程索引》(Ei)等多家数据库收录，是中国科技核心期刊，荣获“百种中国杰出学术期刊”称号，2008年被评为中国精品科技期刊。
在知网上，找到期刊，随便点一篇文章，点目录页浏览。封面上就有，你找一下，不懂再联系我
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