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这两款新型发动机 能否改变燃油发动机的尴尬处境?

2018-07-04 17:52 作者: 麻凯

全球汽车工业发展迅速,产销量不断实现新的突破,但同时也带来了一系列的负面影响,大量不可再生资源的消耗以及尾气排放对我们的生存环境造成了越来越严重的影响,因此发展新能源汽车减少排放,特别是以电代油,成为了世界汽车产业的发展方向。为此,特别是在国内,越来越多的主机厂开始致力于纯电动汽车的研发,而传统的燃油发动机则在热效率上达到一个瓶颈期,四冲程发动机可能投入大量的人力物力在热效率上也罕有可观的提升。

当下,传统燃油发动机的发展几乎已经脱离了科技的发展,更多的是受日趋严格的排放标准等等,而被迫研发小排量的涡轮增压发动机来降低排放迎合市场需求。那么是否就意味着未来所有传统燃油发动机都将面临淘汰呢?

众所周知,马自达始终在致力于寻找燃油发动机热效率上的突破口,无论是已经在进行路试的Skyactiv-X汽油压燃发动机,还是一直令其引以为豪,且不断寻求突破的转子发动机,都算的上是对未来新型发动机的大胆尝试。但今天,笔者要来介绍的并非马自达的研发成果,而是两种摆脱以往发动机设计思路,且研发已经初具成果的新型发动机。他们与传统燃油发动机有哪些区别、热效率如何提升、又是否能够在纯电动汽车大行其道的今天,为燃油汽车带来一丝光明呢?

分置循环发动机:

就在今年6月,美国先进能源研究计划署出资259万美元,来扶持初创公司Tour Engine正在研发的一款全新分置循环(split-cycle)发动机技术。我们都知道,传统的四冲程发动机,每个气缸都会经历吸、压、爆、排这四个冲程以实现完整的做功循环,但这套全新的分置循环技术,将传统的单个气缸一分为二,分为冷缸(进气与压缩)及热缸(膨胀和排气),两个气缸相互搭配才能实现一整个做功循环。

之所以将传统的气缸分割为冷缸和热缸,分别负责进气、压缩与膨胀、排气,正是为了提升对不同行程中的热管理能力。冷缸只负责进气与压缩并使用独立的散热系统,能够使其缸内温度更低,提高进气效率,并能够单独控制压缩比;而热缸只负责混合气的膨胀、做功,能够以更高的缸内温度实现有利的过度膨胀率,从而提升发动机既定的热效率。

经过冷缸压缩过的混合气会通过冷缸与热缸之间的连通机构转移至热缸当中,而这一传递过程,正是分置循环设计的主要挑战。因为经过压缩的混合气在传递的过程当中可能存在一定的压力损失。

目前,Tour Engine正研发并持续优化创新型交叉传递机制,可实现冷缸和热缸间工作流体的高效率传输,且压力损失最小。Tour Engine首席执行官Oded Tour表示,对于公司创新型交叉传递机制,需要考虑的是尽量减少死区/转移体积比率,与容积效率的增幅直接相关.若将该设计引入到体积更大的发动机上,或许能大幅提升容积效率并减少漏气。

据了解,目前该公司试制的分置循环发动机——ARPA-E,冷缸排量和热缸排量分别为69 cc和138 cc,仅能提供1kW的动力用来发电,但其正在研制的以天然气作为燃料的分置循环发动机冷缸排量和热缸排量分别增至350cc和700cc,动力会提升至5kW。下一阶段,该公司正考虑采用30 kW设计,但此刻仍致力于5 kW二阶段项目。公司目前已拥有18项专利技术,还有多项技术在申请专利中。

X4转子柴油发动机:

X4转子柴油发动机是LiquidPiston公司的研究成果,同样在今年6月受到了美国国防部高级研究计划局250万美元的扶持。LiquidPiston的X发动机采用了非汪克尔转子发动机,相较于传统的转子发动机,X发动机的燃烧比较高,其静态圆锥形/球形燃烧室非常适用于缸内直喷(DI)及压燃(CI)技术。

最为关键的是,由于X4转子柴油机发动机的转子采用了具备进、排气道的设计,使其进排气可以位于发动机的前后两侧而非传统转子发动机那样的侧面。当X4转子柴油发动机的转子旋转一周,其可以经历三次做功。

转子两侧具备进气道及排气道

进气——压缩——做功行程

排气行程

转子旋转一周经历三次做功

转子发动机一侧进气一侧排气,并配备平衡块

X4转子柴油发动机的转子两面分别预留了进气道与排气道,当转子旋转时,进气道与发动机壳体上的进气口相重叠即可实现进气;而当另一侧的排气道与发动机壳体上的排气口相重叠时即可实现排气,这是X4转子柴油发动机与传统转子发动机最本质的区之一别。值得一提的是,该发动机可以通过改变发动机壳体上的进、排气开口位置及大小,即可实现不同工况下的最佳做功效率。

传统转子发动机

据了解,LiquidPiston公司的X4转子柴油发动机相比传统活塞发动机,其效率理论上可提升30%,热效率能够达到近45%左右。但其同时还具备重量轻、体积小的优势,目前LiquidPiston公司试制的30kW X4发动机重量仅30磅(13.6公斤),且体积在30X20X20cm以内。由于其体积较小、重量轻且热效率高,除驱动车辆以外还能够应用在很多领域当中。

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