面向未來(lái)的柴油機(jī)技術(shù)研究

C.WEISKIRCH T.KOCH R.REZAEI

柴油機(jī)因具有較高的效率，在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。以人工智能或充鈉制造為代表的新技術(shù)有助于降低燃油耗和CO2排放。在德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)的未來(lái)發(fā)展計(jì)劃中，應(yīng)針對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行更科學(xué)的研究，并實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。

柴油機(jī);燃料;氣體發(fā)動(dòng)機(jī)

0?前言

自1956年創(chuàng)建以來(lái)，德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)長(zhǎng)期致力于對(duì)柴油機(jī)技術(shù)的研究。其旗下的設(shè)計(jì)小組早已針對(duì)柴油機(jī)設(shè)立了相關(guān)研究項(xiàng)目。自2017年以來(lái)，相關(guān)研究人員均致力于該領(lǐng)域的研發(fā)工作。此類研發(fā)工作不僅體現(xiàn)在項(xiàng)目數(shù)量的顯著增長(zhǎng)上，而且也體現(xiàn)在柴油機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷調(diào)整上。與其他動(dòng)力機(jī)械相比，柴油機(jī)的功率仍處于持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)，因此被重點(diǎn)應(yīng)用于商用車、機(jī)械設(shè)備和固定式用途。柴油機(jī)在長(zhǎng)期高負(fù)荷工況下的可靠性與經(jīng)濟(jì)性較好，并且研究人員通過(guò)使用全新的方案還能使柴油機(jī)取得更顯著的技術(shù)進(jìn)步。由德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)所開(kāi)展的共同研究項(xiàng)目有助于提高中小型企業(yè)的技術(shù)水平。

項(xiàng)目的研究重點(diǎn)從充分了解燃燒過(guò)程等方面的問(wèn)題逐步過(guò)渡到針對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在燃油耗和廢氣排放等方面的優(yōu)化。試驗(yàn)研究的重點(diǎn)必須放在降低CO2排放目標(biāo)上，以此可滿足日趨嚴(yán)格的法規(guī)要求。因?yàn)樵撃繕?biāo)只有通過(guò)棄用化石燃料而實(shí)現(xiàn)，因此研究人員將動(dòng)力裝置與能源之間的相互關(guān)系作為重點(diǎn)研究課題。

1?人工智能技術(shù)的應(yīng)用

以降低CO2排放而采用的全新技術(shù)通常有著昂貴的開(kāi)發(fā)成本，而這些費(fèi)用中很大一部分會(huì)花費(fèi)在臺(tái)架試驗(yàn)及整車測(cè)試認(rèn)證等方面。商用車發(fā)動(dòng)機(jī)或其他大型發(fā)動(dòng)機(jī)必須經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程，以便能對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定的廢氣排放狀況作出正確的判斷。由此，研究人員需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在線車輛和驅(qū)動(dòng)裝置的真實(shí)運(yùn)行情況來(lái)獲取更多的數(shù)據(jù)，包含了用于開(kāi)發(fā)后續(xù)幾代驅(qū)動(dòng)裝置的重要信息。研究人員為了能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速評(píng)估，使用了人工智能領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。

德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)啟動(dòng)了“開(kāi)發(fā)工具鏈框架中的人工智能集成”研究項(xiàng)目，可用于混合動(dòng)力汽車的柴油機(jī)進(jìn)行方案驗(yàn)證。動(dòng)力總成系統(tǒng)的瞬態(tài)排放特性是該項(xiàng)目面臨的最大挑戰(zhàn)，其中設(shè)置的算法對(duì)于自行強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程起著重要作用，并且研究人員可在不同開(kāi)發(fā)階段使用該類算法。此外，在潛力分析框架中應(yīng)用人工智能可對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)行中的適應(yīng)性調(diào)整起到一定影響。

2?新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造方法

為實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)而開(kāi)展的系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程總是受到系統(tǒng)部件生產(chǎn)可行性的限制，在該方面新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品不僅須在技術(shù)層面上得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)需要有較好的應(yīng)用可行性。例如三維（3D）打印等先進(jìn)制造技術(shù)基本上能實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件造型的改良。由此提高的造型自由度不僅能有效改善內(nèi)燃機(jī)的效率，而且還能適應(yīng)新型燃料。這對(duì)于滿足未來(lái)更為嚴(yán)苛的氮氧化物（NOx）和CO2排放限值具有重要意義。

使用先進(jìn)制造方法的1個(gè)實(shí)例是由德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)所開(kāi)展的“創(chuàng)新的高壓燃燒過(guò)程設(shè)計(jì)”項(xiàng)目。該研究計(jì)劃由3家研究所進(jìn)行跨學(xué)科合作，合作的主要目的是進(jìn)一步了解受活塞頂凹坑形狀（圖1）影響的燃燒過(guò)程。全新的充鈉制造方法原則上為活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了全新的自由度，這不僅涉及到對(duì)燃燒室凹坑造型的優(yōu)化，而且涉及到活塞中冷卻通道的設(shè)計(jì)方案。從2019年開(kāi)始，研究人員在單缸試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)上試驗(yàn)了多種采用充鈉制造方案的活塞幾何形狀，并以數(shù)字模擬方法對(duì)活塞幾何形狀進(jìn)行了優(yōu)化，而且還通過(guò)試驗(yàn)研究了全新設(shè)計(jì)的活塞頂凹坑幾何造型對(duì)混合氣形成及廢氣排放的優(yōu)化程度。同樣，研究人員也采用了數(shù)值和試驗(yàn)方法分析了充鈉冷卻通道對(duì)壁面溫度、壁面熱損失和燃油耗造成的影響。

3?使用不影響氣候的燃料運(yùn)行

在降低CO2排放的全球背景下，全社會(huì)期望逐步減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的使用，個(gè)別商用車制造商甚至已設(shè)定了可完全不影響環(huán)保目標(biāo)的方案。為了達(dá)到上述目標(biāo)，內(nèi)燃機(jī)可使用環(huán)境友好的燃料，并專門(mén)用于長(zhǎng)途貨物運(yùn)輸過(guò)程中。德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)在數(shù)年前就已加強(qiáng)了針對(duì)合成燃料與發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，研究人員在該領(lǐng)域?qū)我蝗剂霞盎旌先剂暇M(jìn)行了研究[1]。

被稱為綠色燃料的氫氣幾乎始終位于此類合成燃料生產(chǎn)鏈的頂端，并能借助于可再生能源而獲取。出于該原因，德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)下的1個(gè)研究小組正致力于研究低溫燃燒過(guò)程中氫與氧反應(yīng)的基本原理[2]。

德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)在1個(gè)全新的研究項(xiàng)目中研究了氫能在柴油機(jī)中的應(yīng)用潛力，其指導(dǎo)理念是應(yīng)用惰性工作介質(zhì)替代環(huán)境空氣，與反應(yīng)氣體（氧和氫）一起在1個(gè)封閉的工作氣體循環(huán)中實(shí)現(xiàn)活性流動(dòng)（圖2），從而就能避免在該過(guò)程中形成NOx排放。同時(shí)，該項(xiàng)目可用于分析燃燒過(guò)程，并選擇合適的惰性介質(zhì)。

4?技術(shù)沿用至氣體發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中

甲烷燃燒所排放出的CO2要明顯低于汽油或柴油，而且合成甲烷過(guò)程中的轉(zhuǎn)換損失要比生產(chǎn)氫氣更低[3]，從而能使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行不對(duì)環(huán)境造成影響。氣體發(fā)動(dòng)機(jī)盡管采用外部點(diǎn)火的方式，但是其仍須與柴油機(jī)一樣解決提高效率與降低排放之間的目標(biāo)沖突。

根據(jù)近20年由德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)所開(kāi)展的空氣管路可變性研究項(xiàng)目，表明從柴油機(jī)到氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)調(diào)整仍有一定技術(shù)可行性。在從2003年開(kāi)始的1組項(xiàng)目中，研究人員對(duì)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)及商用車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了通過(guò)均質(zhì)柴油燃燒以降低排放的試驗(yàn)研究。對(duì)于商用車而言，有必要采用可變壓縮比，以便將均質(zhì)柴油燃燒過(guò)程限制在可應(yīng)用的范圍內(nèi)。與改變幾何壓縮比的技術(shù)相比，采用可變配氣定時(shí)以改變熱力學(xué)壓縮比是1種更為有效的方法。其中，德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的相關(guān)研究人員在2個(gè)互有交集的項(xiàng)目中研究了空氣管路可變性在商用車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，從而對(duì)氣門(mén)配氣定時(shí)對(duì)效率和排放特性的影響有了進(jìn)一步了解。研究人員從變化的邊界條件及德國(guó)內(nèi)燃機(jī)研究聯(lián)合會(huì)的相關(guān)項(xiàng)目中獲得了全新的研究方向，于是將研究重點(diǎn)從控制燃燒的技術(shù)逐步過(guò)渡到更有效的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理領(lǐng)域。

在從2019年初開(kāi)始的第3個(gè)研究項(xiàng)目“商用車氣體發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管路可變性的潛力”中，研究人員就已研究了如何通過(guò)全可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)提高以化學(xué)計(jì)量空燃比混合氣運(yùn)行的氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)（圖3）就能證實(shí)，米勒配氣定時(shí)不僅能降低部分負(fù)荷工況范圍內(nèi)的節(jié)流損失，而且還能提高全負(fù)荷工況時(shí)的爆燃極限。除此之外，還對(duì)可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)與廢氣再循環(huán)和噴水相結(jié)合的效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在理想情況下此類氣體發(fā)動(dòng)機(jī)即便采用化學(xué)計(jì)量空燃比，混合氣燃燒過(guò)程也能達(dá)到與柴油機(jī)相近的效率，同時(shí)其CO2排放更低。

5?結(jié)論

由于氣態(tài)和液態(tài)燃料的能量密度較高，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)仍能在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中起到重要作用，但仍需進(jìn)一步降低有害物排放并提高整機(jī)效率。在使用綠色氫氣或合成燃料的條件下，可有效減少CO2排放，但考慮到較高的制造成本，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化已逐漸成為了研究的重點(diǎn)。研究人員通過(guò)使用人工?智能和充鈉制造等新技術(shù)就能顯著提高整機(jī)效率，同時(shí)再輔以高效燃燒和可變氣門(mén)機(jī)構(gòu)等先進(jìn)技術(shù)，可使內(nèi)燃機(jī)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)依然有著較好的應(yīng)用前景。

[1]TUTSCH P.Forschung an der wechselwirkung von verbrennungskraftmaschine und kraftstoff[J]. MTZ，2018，79（1）：56.

[2]TUTSCH P.Industrielle gemeinschaftsforschung auf dem gebiet der brennstoffzelle[J]. MTZ，2017，78（9）：71.

[3]KRAMER U，ORTLOFF F，STOLLENWERK S.Defossilisierung des transportsektors： optionen und voraussetzungen in Deutschland[C]. FVV-Schriftenreihe R586， 2018.