Энергоэффективность автомобильного бензинового двигателя: актуальные подходы

Введение. Для выполнения перспективных требований стандартов 2025-2030 гг. по снижению расхода топлива и выбросов CO₂ легковым и коммерческим транспортом требуется дальнейшее совершенствование конструкции и рабочего процесса бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в полном диапазоне рабочей карты, особенно на больших нагрузках.

Цель исследования - выполнить обзор и анализ путей повышения индикаторного КПД бензинового ДВС и подходов, направленных на повышение эффективности за счёт снижения тепловых потерь. Методология и методы. Обзор барьеров на пути повышения индикаторного КПД бензинового ДВС базируется на анализе идеального и реального циклов Отто и результатов экспериментальных и расчётных зарубежных и отечественных исследований последних лет, направленных на повышение топливной эффективности за счёт снижения тепловых потерь.

Результаты и научная новизна. Показано, что эффективными новыми подходами снижения тепловых потерь ДВС будущего являются: организация на больших нагрузках сгорания стехиометрической смеси, разбавленной большим количеством охлаждённых рециркулируемых отработавших газов (до 25-35%); увеличение отношения хода поршня к диаметру цилиндра S/D до величины порядка 1,5; применение тонких термических барьерных покрытий, обеспечивающих «температурный свинг» поверхности камеры сгорания. В сочетании с комбинацией отработанных современных технологий (непосредственным впрыском топлива, регулируемым клапанным приводом и др.) они позволяют существенно повысить оптимальную геометрическую степень сжатия, значительно понизить потери тепла в стенки камеры сгорания и склонность ДВС к детонации и обеспечить повышение индикаторного КПД до уровня 49-53%.

Практическая значимость заключается в возможности использования результатов работы при выборе схемы и конструктивных решений перспективного бензинового двигателя внутреннего сгорания с пониженным расходом топлива и уменьшенным количеством выбросов СО₂.

1. Insights into Future Mobility. A report from the Mobility of the Future study. - Cambridge, MA, 2019. -220 р. URL: http://energy.mit.edu/insightsintofuturemo-bility (дата обращения: 22.06.2020)

2. Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Анализ тенденций развития электрического привода для легковых автомобилей // Труды НАМИ. - 2018. - № 2 (273). - С. 6-15.

3. Catalog der “Automibil Revue”. - Berne: Motorbuch Verlag, 1997-2019.

4. Сонкин В.И. Бензиновый двигатель пониженной размерности - современная концепция // Труды НАМИ. - 2015. - № 261. - С. 68-84.

5. Сонкин В.И. Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: турбо лаг. Часть 1 // Труды НАМИ. - 2019. - № 4 (279). - С. 70-81.

6. Автомобильные двигатели / под ред. М.С. Хова-ха. - М.: Машиностроение, 1977. - 591 с.

7. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals. - McGraw-Hill, Inc., 1988. - 930 р.

8. Ferguson C.R., Kirkpatrick A.T. Internal combustion engines: applied thermodynamics. - John Wiley & Sons, 2001. - 367 р.

9. Wu W., Ross M. Spark-Ignition Engine Fuel Consumption Modeling // SAE Technical Paper. - 1999. -No. 1999-01-0554. - P. 1-15.

10. Сонкин В.И. Проблемы бензинового двигателя с высоким наддувом: аномальное сгорание // Труды НАМИ. - 2017. - № 3 (270). - С. 16-31.

11. Caris D.F., Nelson E.E. A New Look at High Compression Engines // SAE Transactions. - 1959. - Vol. 67. -P. 112-124.

12. Muranaka S., Takagi Y., Ishida T. Factors Limiting the Improvement in Thermal Efficiency of SI Engine at Higher Compression Ratio // SAE Technical Paper. -1987. - No. 870548. - P. 1-11.

13. Ayala F.A., Gerry M.D., Heywood J.B. Effects of Combustion Phasing, Relative Air-fuel Ratio, Compression Ratio, and Load on SI Engine Efficiency // SAE Technical Paper. - 2006. - No. 2006-01-0229. - P. 3-21.

14. Озимов П.Л., Ванин В.К. О проблемах и перспективах создания адиабатных дизелей // Автомобильная промышленность. - 1984. - № 3. - C. 3-5.

15. Fujimoto H., Yamamoto H., Fujimoto M., Ya-mashita H. A Study on Improvement of Indicated Thermal Efficiency of ICE Using High Compression Ratio and Reduction of Cooling Loss // SAE Technical Paper. -2011. - No. 2011-01-1872. - P. 1-14.

16. Kawaguchi A., Iguma H., Yamashita H., Takada N., Nidhikawa N., Yamashita C., Wakisaka Y., Fukui K. Thermo-Swing Wall Insulation Technology - A Novel Heat Loss Reduction Approach on Engine Combustion Chamber // SAE Technical Paper. - 2016. - No. 2016-01-2333.

17. Yan Z., Gainey B., Gohn J., Hariharan D., Sapu-to J., Schmidt C., Caliari F., Sampath S., Lawler B. The Effects of Thick Thermal Barrier Coatings on Low-Temperature Combustion // SAE Technical Paper. - 2020. -No. 2020-01-0275.

18. Kosaka H., Wakisaka Y., Nomura Y., Hotta Y., Koike M., Nakakita K., Kawaguchi A. Concept of “Temperature Swing Heat Insulation” in Combustion Chamber Walls, and Appropriate Thermo-Physical Properties for Heat Insulation Coat // SAE Technical Paper. - 2013. -No. 2013-01-0274. - P. 142-149.

19. Kogo T., Hamamura Y., Nakatani K., Toda T., Kawaguchi A., Shoji A. High Efficiency Diesel Engine with Low Heat Loss Combustion Concept - Toyota’s Inline 4-Cylinder 2,8-Liter ESTEC 1GD-FTV Engine // SAE Technical Paper. - 2016. - No. 2016-01-0658.

20. Gatti D., Jansons M. One-Dimensional Modelling and Analysis of Thermal Barrier Coating for Reduction of Coolling Loads in Military Vehicles // SAE Technical Paper. - 2018. - No. 2018-01-1112.

21. Nakata K., Nogawa S., Takahashi D., Yoshihara Y., Kamugai A., Suzuki T. Engine Technologies for Achieving 45% Thermal Efficiency of S.I. Engine // SAE Technical Paper. - 2015. - No. 2015-01-1896. - P. 179-192.

22. Sens M., Guenther M., Hunger M., Mueller J., Nicklitzsch S., Walther U., Zwahr S. Achieving the Max -Potential from a Variable Compression Ratio and Early Intake Valve Closure Strategy by Combination with a Long Stroke Engine Layout // SAE Technical Paper. - 2017. -No. 2017-24-0155. - P. 1-14.

23. Filipi Z.S., Assanis D.N. The effect of the stroke-to-bore ratio on combustion, heat transfer and efficiency of a homogeneous charge spark ignition engine of given displacement // International Journal of Engine Research. -2000. - Vol. 1, No. 2. - P. 191-208.

24. Ikeya K., Takazawa M., Yamada T., Park S., Tagi-shi R. Thermal Efficiency Enhancement of a Gasoline Engine // SAE Technical Paper. - 2015. - No. 2015-011263. - P. 1579-1586.

25. Cho S., Oh S., Song C., Shin W., Song S., Song H., Min K., Lee B., Jung D., Woo S. Effects of Bore-to-Stroke Ratio on the Efficiency and Knock Characteristics in a Single-Cylinder GDI Engine // SAE Technical Paper. -2019. - No. 2019-01-1138.

26. Сонкин В.И. Аэродинамика впускных каналов: винтовые каналы. Часть 2 // Труды НАМИ. - 2016. -№ 4 (267). - С. 85-96.

27. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. - М.: Машиностроение, 1973. - 200 с.

28. Сонкин В.И. Регулируемый клапанный привод автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение. -2015. - 124 с.

29. Yonekawa A., Ueno., Watanabe O., Ishikawa N. Development of New Gasoline Engine for ACCORD Plug-in Hybrid // SAE Technical Paper. - 2013. - No. 2013-011738. - P. 1-9.

30. Matsuo S., Ikeda E., Ito Y., Nishiura H. The New Toyota Inline 4 Cylinder 1.8L ESTEC 2ZR-FXE Gasoline Engine for Hybrid Car // SAE Technical Paper. - 2016. -No. 2016-01-0684. - P. 1-6.

31. Kawamoto N., Naiki K., Kawai T., Shikida T., To-matsuri M. Development of New 1.8-Liter for Hybrid Vehicles // SAE Technical Paper. - 2009. - No. 2009-011061. - P. 1-9.

32. Bassett M., Vogler C., Hall J., Taylor J., Cooper A., Reader S. Analysis of the Hardware Requirements for a Heavily Downsized Gasoline Engine Capable of Whole Map Lambda 1 Operation // SAE Technical Paper. -2018. - No. 2018-01-0975.

33. De Petris C., Diana S., Giglio V., Police G. High Efficiency Stoichiometric Spark Ignition Engines // SAE Technical Paper. - 1994. - No. 941933. - P. 1-9.

34. Takaki D., Tsuchida H., Kobara T., Akagi M., Tsuyuki T., Nagamine M. Study of an EGR System for Downsizing Turbocharged Gasoline Engine to Improve Fuel Economy // SAE Technical Paper. - 2014. -No. 2014-01-1199. - P. 1-8.