發(fā)動機的新趨勢

曹曉昂

通過減少對化石燃油的依賴，從而減少交通中二氧化碳的排放這個全球性大趨勢推動了替代性燃油使用數(shù)量的不斷增長，這包括生物柴油，以及含有酒精的燃油等。此外，在克服對進(jìn)口石油的依賴性方面，世界各地區(qū)所采取的策略各異，因此先進(jìn)的、全球性的汽車廠家必須為應(yīng)對未來不同質(zhì)量的燃油做好自己充足的準(zhǔn)備。

為應(yīng)對燃油差異，跨國汽車零部件供應(yīng)商大陸集團組織建立了一個名為IQ FUEL（智能燃油）的聯(lián)合體以便開發(fā)一種高度集成的、小型化的傳感器系統(tǒng)，用于識別油箱中當(dāng)前的燃油成分。這種新型的燃油質(zhì)量傳感器（Fuel Quality Sensor）可實現(xiàn)優(yōu)化油箱中燃油實際質(zhì)量的發(fā)動機控制策略。此外，這種智能傳感器還能夠識別出燃油中的內(nèi)含成分，例如硫、水分和其它雜質(zhì)。這樣就可以防止發(fā)動機部件和廢氣處理部件的工作原理和排放受到可能的影響。

優(yōu)化發(fā)動機控制的新設(shè)想

“發(fā)動機控制與當(dāng)前不斷增長的燃油質(zhì)量的多樣化有關(guān)。由此將造成影響燃燒和排放的燃油性能發(fā)生波動，其后果是，我們必須測量我們噴入燃燒室的燃油。如果我們不測量，就不會識別出這種波動，它們既可能降低發(fā)動機的效率，也可能產(chǎn)生不必要的高排放。這種新型智能型燃油質(zhì)量傳感器可以實現(xiàn)優(yōu)化油箱中燃油實際質(zhì)量的發(fā)動機控制策略。從而可以以最少的燃油消耗產(chǎn)生最大的發(fā)動機動力”，大陸集團傳感器和執(zhí)行器業(yè)務(wù)單元負(fù)責(zé)人表示。

這種新型傳感器應(yīng)用了MOEMS（微光機電傳感器）組件嵌入式技術(shù)解決方案，借助測量光譜在紅外線范圍內(nèi)的光傳播來確定燃油的成分。這種光學(xué)測量法可以用來確定許多燃油特征，其中包括密度、燃燒值、十六烷值和辛烷值、硫含量、粘度等。只利用一個傳感器硬件便可滿足柴油發(fā)動機和汽油發(fā)動機的應(yīng)用。使用嵌入式化學(xué)計量學(xué)模型可以有效分析傳感器值，模型在各個特殊燃油特征的基礎(chǔ)上預(yù)測出燃油成分的比例。在安裝上微傳感器系統(tǒng)后，它就可以監(jiān)督燃油的組分并將數(shù)據(jù)提供給發(fā)動機管理系統(tǒng)。為發(fā)動機管理系統(tǒng)EMS新開發(fā)的軟件模塊可以對例如噴射（噴射時間點和噴射量）等中央控制參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

無論各個汽車制造商的要求如何，這種智能燃油傳感器都可以升級為自適應(yīng)發(fā)動機控制。通過將傳感器模塊集成到汽車中以及擴展發(fā)動機控制軟件可以補償燃油質(zhì)量的波動，優(yōu)化發(fā)動機的運行，這不僅可以保護(hù)汽車的廢氣處理等分系統(tǒng)，而且還可以保護(hù)發(fā)動機本身。因此，盡管不可預(yù)測的燃油成分的可能性在不斷地增加，這種燃油質(zhì)量傳感器仍有助于保證發(fā)動機的穩(wěn)定運行。

多年以來，大陸集團不斷提供燃油傳感器技術(shù)方面的解決方案并利用這種經(jīng)驗（即利用靈活燃油傳感器和直接氣缸壓力測量）來整合這種新型燃油質(zhì)量傳感器，并將這種系統(tǒng)廣泛的能力轉(zhuǎn)變成發(fā)動機控制方面的具體優(yōu)勢。

更高性能的柴油發(fā)動機

目前，各個頂級汽車制造商都在開發(fā)更高性能的柴油發(fā)動機，以提高動力性能、減少二氧化碳排放和提高燃油經(jīng)濟性，但高于 90kW/l的升功率輸出給活塞設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。

輝門公司新近開發(fā)出了能夠滿足高性能柴油發(fā)動機使用要求的高強度、高耐熱性能的鋁活塞。BMW 率先在其3.0 升并配置了三個渦輪增壓器的柴油發(fā)動機(N57D30S1)中使用了此活塞，該發(fā)動機的升功率達(dá)到了93kW/l，是世界上動力最強的輕型柴油發(fā)動機。

輝門動力總成部技術(shù)和創(chuàng)新副總裁表示，“提高升功率輸出產(chǎn)生了更高的機械負(fù)荷和溫度，這讓活塞的散熱性與其強度變得同等重要。我們的鋁活塞可以在比以前更高的熱力和機械負(fù)荷工況下有效運行，而不會有鋼活塞存在的發(fā)動機油裂解和積碳形成的危險。輝門利用自身的工藝和材料專業(yè)知識生產(chǎn)出具有較高耐久和熱力學(xué)性能的鋁活塞，從而滿足高性能柴油發(fā)動機的需要。這些改進(jìn)意味著鋁活塞在未來一段時期內(nèi)將繼續(xù)保持在輕型柴油發(fā)動機領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。”

鋁活塞的生產(chǎn)及研發(fā)

據(jù)了解，針對鋁活塞的生產(chǎn)，輝門公司開發(fā)出了創(chuàng)新的DurabowlR工藝，這使得發(fā)動機燃燒室喉口邊緣得到強化，從而可以承受更高的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷。提高位置的內(nèi)冷油道設(shè)計則改善了活塞的熱力學(xué)性能，而輝門研發(fā)的兩維 (2D) 超聲波檢測工藝對于該技術(shù)的實現(xiàn)不可或缺。輝門的 DuraBowlR工藝通過再次熔化活塞燃燒室喉口周圍的合金，使得鋁合金的金相組織更加細(xì)化從而提高材料的疲勞強度。為確保對關(guān)鍵參數(shù)的控制，每個燃燒室都使用輝門公司專有的電渦流工藝來檢測金屬表面下的缺陷。提高位置的內(nèi)冷油道技術(shù)使冷卻機油達(dá)到盡可能靠近活塞燃燒室的地方，以獲得最大的冷卻效果。輝門活塞產(chǎn)品設(shè)計總工程師表示：“冷卻液的作用使得活塞更耐久并減少了內(nèi)部摩擦。該技術(shù)對于幫助主機廠開發(fā)更高效、更加緊湊型柴油發(fā)動機，從而改善燃油經(jīng)濟性和二氧化碳排放起著重要作用?！?/p>

要將內(nèi)冷油道布置在距離活塞喉口和燃燒室距離較近的地方，需要大幅提高鑄造工藝的精度和可靠性。輝門已經(jīng)研發(fā)了一項新的 2D 超聲波檢測技術(shù)，這使得該公司對鑄造工藝有了更深入的了解并實現(xiàn)了對質(zhì)量更加嚴(yán)格的控制。標(biāo)準(zhǔn)的一維超聲波檢測技術(shù)可以檢測出缺陷但不能量化其尺寸和位置。輝門的 2D 超聲波工藝在 30 秒內(nèi)即可以提供12萬5千個數(shù)據(jù)點。使用該技術(shù)，輝門工程師可以準(zhǔn)確判斷缺陷的尺寸和位置，為優(yōu)化鑄造工藝提供寶貴數(shù)據(jù)。這些非破壞性測試得出的詳細(xì)數(shù)據(jù)還保證了高精度產(chǎn)品成品零件的質(zhì)量一致性。通過剖析幾百個活塞，比對超聲波檢測圖像與破壞性測試方法，所獲得的結(jié)果可以有效驗證該技術(shù)。經(jīng)過大量的實驗研究，輝門還成功開發(fā)了相關(guān)應(yīng)用軟件并確定了許多關(guān)鍵實際參數(shù)（如探頭尺寸、波長、光束幾何和焦距）。