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辉门应对二氧化碳减排的解决方案
摘要
正如二十世纪六七十年代的环保要求促进了各种经济
可行技术的发展,最终有效降低了未燃碳氢化合物和
氮氧化合物的排放。目前全世界范围所面临的二氧化
碳减排问题正在推动前所未有的技术研发方面的投入。
辉门公司作为动力总成零部件以及整车技术解决方案
的全球领先供应商,我们将与主机厂客户密切合作,
帮助客户降低二氧化碳排放,并一同应对其他环保方
面的挑战。
针对二氧化碳减排和其他排放问题,辉门公司的“动力
总成”、“密封系统和轴瓦”、“车辆安全和保护”
以及“汽车零部件”各个事业部,为客户提供了全面、
可行的解决方案。
• 直接解决方案:辉门的许多创新产品通过减少摩擦损
失、降低零件重量以及提高燃烧效率等措施,直接减
少了燃油耗,进而降低了二氧化碳排放。
• 间接解决方案:除了减少摩擦外,辉门产品还允许更
高的气缸压力、更高的升功率、容积效率和燃料灵活
性,使主机厂能够获得更好的发动机性能、可靠性和
排放标准。
另外,辉门在多种产品领域积累的成熟技术经验,使得
工程师能够更加全面系统地分析并解决问题。
辉门工程师在燃烧问题方面有着丰富的知识和经验。发
动机闭环控制系统以及现代电子设备的日趋完善为大
幅提高内燃机效率铺平了道路。另外,CAD、CAE、
CFD、FEA、工作循环仿真和虚拟设计技术,结合先进
的制造工艺,使得汽车行业在燃油效率方面取得了两位
数的提高。
历史回顾
在开发高效、多用途、经济可行且对环境影响较小的车
辆方面,很少有真正难以逾越的障碍。回顾过去30年
所取得的工程技术成就,充分展示了汽车行业在开发革
命性的动力总成以及在排放控制解决方案方面的能力。
• 二十世纪七十年代广泛采用的催化转换器大幅降低了
车辆排放。转换器技术日益高效,迄今已应用于全球
数百万辆轻型、中型和重型车辆设备上。
• 运行参数已回到最初的高水平。二十世纪六十年代,
许多高性能车辆的压缩比接近 11:1。但是,为减少氮
氧化物排放将压缩比降至接近 8:1,同时将点火提前角
大大推迟。现在,随着发动机控制系统、催化器技术
和燃烧室设计的发展,压缩比已重新调整到较高水平
从而获得较高的燃烧效率。因此,点火定时也回归到
较高效率和性能设定值,同时保持氮氧化合物和所有
其它排放在可控范围之内。
• 二十世纪七十至九十年代,人们研发出了日益精密复
杂的发动机和燃油管理系统,在性能、效率、可靠性
和环境敏感性方面都取得了巨大进步。
• 二十世纪九十年代早期和中期,主机厂为欧洲市场开
发的高速、直喷式涡轮增压柴油机极大提高了发动机
的效率和精确性,同时减少了颗粒(碳烟)和氮氧化
合物排放。
提高发动机性能的基本方法
总结在思考了各种可能性之后,我们开始着手将可能变为现实。
减少摩擦是辉门直接提高燃油经济性的主要方法。通过精心
优化产品设计,如密封件和活塞环,辉门产品的性能更佳而
摩擦更小。在其它产品中,如气缸的,辉门采用创新产品使
得缸孔变形最小化。更小的缸孔变形可带来摩擦更小的环组
设计,从而降低二氧化碳排放。
减轻零件重量是另一种一举两得的有效方法。首先,零件重
量减轻直接减少了驱动车辆的能耗。另外,重量减轻(特别
是动力元件,如活塞和活塞环)减少了曲轴平衡配重材料的
重量。动力总成系统重量减轻会产生更小的旋转惯性,从而
可优化主轴承、轴承盖和轴盖,减轻其重量。
未来先进的动力总成系统,包括混合动力系统,将以小型高
输出发动机为主流。其中大部分产品均须采用更高的气缸压
力和热载荷。辉门不断开发广泛的间接性技术和产品,在解
决上述及其它问题中发挥了重要作用。
当今的行业标准表明,辉门在近三十年来已经取得了巨大发
展,但辉门仍然任重而道远。利用独特的系统和部件特有优
势,并凭借先进的技术,辉门获得了具有实用性的解决方
案,通过减少与摩擦和重量相关的损失,提高燃油经济性
3-4%。应对各种先进动力系统为汽车行业带来的挑战,辉
门能够做出自己的贡献。作为唯一一家为合作伙伴提供其在
深度和广度上所需的全面动力总成部件的全球供应商,辉门
随时准备着为您提供减少二氧化碳排放的系统性方案。
实际发动机放热量的不到三分之一实际转化为了功(图 7)。
其它热量在热传递、摩擦和气体交换过程中消耗掉了。认识到
这些问题后,我们即可确定一个框架,提高当今实际发动机和
理论上理想发动机的性能。
图 7:2000转,20%载荷工况下典型汽油发动机
能量平衡
换气损失
摩擦损失排气热量损失27%
冷却剂和辐射损失
23%
可用能量30%
活塞 3%
活塞环 4%
轴瓦 4%
附件和气门机构
6%
间接解决方案:重新定义商机
辉门公司定位明确,即基于系统的创新方法来迎接发动机研
发的新时期。辉门设定目标的基础是谨慎审视历史发展及其
成果、最新的发展趋势、辉门自身的资源和优势,同时充分
认识创新所带来收益的局限。
由于发动机厂为了提高热功转化效率,气缸压力有了大幅度
的增加。由于直喷、涡轮增压和 EGR(废气再循环)技术的
应用,发动机效率不断提高,尺寸不断缩小,原来 80 bar汽
油机正日趋增加到 140+ bar以上的爆发压力。而柴油发动机
甚至由 150 bar增至超过 200 bar(轿车和轻型卡车)和 250
bar(重型卡车),并将受益于闭环燃烧技术。乙醇燃料的应
用越来越普遍,这很可能进一步增加气缸压力。辉门在柴油
和下一代汽油机方面的技术均可应用到上述发动机。辉门的
产品可以保证发动机运行工况的提升并满足相关要求。
• 辉门的活塞部件部门正充分利用其高载荷柴油发动机专有
技术,开发出了先进的高强度活塞结构和材料技术。这些
技术包括高耐拉缸性环组和独特的耐磨损气门座圈,它们
非常适用于下一代汽油发动机中的直接喷射、涡轮增压以
及较高的冷却EGR率。
• 辉门的“冠军”火花塞的铱金技术、高火花能量以及其它
先进技术,解决了使用高增压度,稀燃及分层燃烧等先进
策略下的火花塞点火和耐久性问题。
• 在开发满足高达 250 巴的高爆压的部件方面,“动力总成
密封和轴瓦”部门经验丰富。辉门的核心竞争力包括不同
金属材料的缸体/气缸盖界面密封技术、高热载荷适应技
术、替代燃料兼容性,以及具有特殊几何要求的定制轴瓦
的应用能力。
• 随着现代和未来发动机尺寸不断减小、增压压力不断增
加,发动机运行温度也在增加。辉门拥有用于排气歧管和
涡轮增压器的高温合金密封垫的多项支援性技术。我们还
拥有用于这些密封垫的高温涂层,可为高温工况提供技术
解决方案。在这些高温工况下保持材料性质的稳定性是辉
门材料技术研发的重点。
• 辉门为高温工况提供的另一间接性技术是用于热保护的全
系列隔热罩。与其它隔热罩产品相比,辉门的 Nimbus® GII
隔热罩在提供最大限度热保护的同时,重量大幅减轻。
• 我们在气门座圈和气门导管材料方面的先进技术能够应
用于乙醇燃料的发动机,这种燃料没有常规汽油的润滑
性能,且腐蚀性更强。
汽油发动机特性在由卡诺和奥图循环组合成的特定循
环内。循环之间的差异如图 6 如图所示,绿色线条围
成的区域表示卡诺循环相关的可能效率。可以发现,
在相同的 TH 和 TC 条件下,其面积更小,效率更低。
图 6
卡诺循环:在恒定 TH 下发生 2-3
卡诺循环:在恒定 TC 下发生 4-1
卡诺循环
奥托循环温度
熵
提高发动机性能的基本方法
汽油
发动机
二氧化碳减排(g/km)
4.4 2.0 2.4
NA1.52.5
活塞和
活塞环轴瓦 点火产品
二氧化碳减排(g/km)
柴油发动机
辉门对减少二氧化碳排放的直接贡献
>9.3
>4.5
二氧化碳减排总量
>0.5
>0.5
密封件使用辉门的汽车零部件产
品可大幅减少车辆二氧化
碳排放,如右图所示。
虽然由于实际过程的熵值和不可逆性,实际上不可能达到
上述状态,但它们作为参考因素非常有用,因为它们代表
了所能达到的最大效率。根据热力学第一定律和卡诺定律,
最大效率 η 定义如下:η =Wout /Qin=1 – TC / TH(其中W=
输出功率,Q=输入热量,TH 和 TC 分别代表从中提取能量
的热源和热量排放到的热源的温度[单位为绝对 T,开氏温
度或兰金度数]。)因此,对于给定的输入热量,能够提取
的功值是有限的,因此效率值也有限的。如图 5 所示,卡
诺周期在 TH 增加、TC 保持不变时,接近极限。
图 5:卡诺循环效率
效率
效率
,
/
减少重量和消耗雨刷、照明和摩擦
在各公司争相探索减排方法之际,我们系统考虑了雨刷、
照明和摩擦产品的影响,以减少产品重量和能耗,支持二
氧化碳减排。
• 辉门最新的无骨雨刷减少了重量和操作能耗,同时具有
卓越的刮拭性能。通过精心设计和优化,与传统雨刮相
比相比,前无骨雨刮的刮臂加刮片的重量减少了 12%
后无骨雨刮的刮臂加刮片的重量减少了 30%。这种对细
节的关注一直延续至雨刷的操作。在辉门的无骨雨刷
上,压力均衡分布于整个接触表面,使阻力最多减少了
20%。这提供了更佳的刮拭性能,并最高可减少雨刷
电机能耗 7%,极大降低了车辆的电载荷或电机尺寸要
求。
• 通过将照明光源转变为 LED,并利用我们的 POD™ 照明
系统提高其聚焦程度,我们降低了光源重量和能耗,并
因此减少了所用铜导线的数量和重量。辉门把三泡吸顶
地图白炽灯转换为荣获 2008 年 PACE 奖的 POD 技术,
将能耗从 30W 减至 4.8W,降幅达 84%。能耗降低的同
时还带来了性能优势,如亮度降低和聚焦区域定向功能。
此项技术的 LED 基础技术也可用于外部照明设备,如中
央高位刹车灯 (CHMSL) 或侧向/停车标志灯,减少能耗高
达 50%,同时改善了外观。
• 辉门的摩擦产品是根据重量和具体设计开发的。有机材
料和环保配方的使用,使我们的合作伙伴能获得期望的
高性能和轻重量,同时关注环保。
除了降低车辆重量、滚动阻力和空气阻力外,提高发动机效率也是降低二氧化碳排放的有效策略之一。通过降低部件重量、摩擦损
失或提高发动机能量转换效率可实现这一目标。在辉门,我们积极寻求实现上述目标的多种途径。我们根据汽油、柴油和其它燃料
发动机的不同特性,提供直接以及间接的技术解决方案。
图 2:减少 CO2 排放的柴油机技术
成本
二氧化碳减少百分比
可变式机油泵
离合器水泵
电动水泵
两级增压器尺寸进一步缩小
高冷却
过程
低压环路两级式调节机油泵
闭合回路燃烧
发动机摩擦减少
辉门直接贡献潜在领域 辉门间接贡献 非辉门技术领域
图 1:减少 CO2 排放的汽油机技术
成本
二氧化碳减少百分比
高能量火花
离合器水泵
灵活
断缸
涡轮增压多点喷射尺寸缩小30%
涡轮增压缸内直喷尺寸缩小30%
发动机摩擦减少
辉门直接贡献潜在领域 辉门间接贡献 非辉门技术领域
可变机油泵
直接解决方案
辉门拥有广泛的动力总成专业技术,涵盖了大部分主要发
动机系统和部件。对我们的主机厂合作伙伴而言,这些技术
为他们确定并减少发动机摩擦损失和部件重量提供了巨大
优势。我们的产品在以下每个发动机运行过程中均发挥着
在“新欧洲驾驶循环 (NEDC)”测试中,我们将这套技术应
用于排放水平170 g/km汽油车辆上,结果是二氧化碳减排
高达 4.4 g/km。在基础碳排放为 150 g/km的典型柴油车
上应用类似技术可减少二氧化碳排放 2.5 g/km。
提高燃烧效率
火花塞技术
在 Champion®火花塞的贵金属应用方面,辉门已取得巨大
进展,特别是铱金技术。这种硬金属可生产极为耐用的精
细中心电极和地电极。我们的工程师从而无需顾虑电极磨
损问题(被称为“间隙增长”),能够采用更大的初始火
花塞间隙。
但是,较大的火花塞间隙需要较高的点火电压。为了适应
此高压,辉门发明了新的陶瓷配方:SureFire™ 铝陶瓷。
SureFire具有一流的抗爬电、抗击穿性能,有助于确保高温
高压下的正常运行。
将其与提供高点火能量的“冠军”点火线圈配合使用,
测试结果显示发动机的二氧化碳排放比原来减少最高达
2.4 g/km。
柴油发动机也受益于“冠军”电热塞的创新技术。一家欧洲
主机厂客户所作的最新测试显示,与竞争产品相比,“冠
军”电热塞具有卓越的后热性能。这一特性使发动机无需采
用陶瓷材料即可满足欧 VI 标准。
热力学的卡诺原理确定了可做功的最大值。该原理阐述了
两个热源间的工作效率,不可能高于在同样两个热源间以
完美可逆过程工作的理想卡诺机的效率。这成为熵的数学
运算基础。在热力学中,熵定义为不可能转换为功的能源
的量,代表工作系统的损失和不可逆性。如图 4 所示,过
程 1-2 和 3-4 在两个温度间进行,熵值不变,而在 2-3 和
4-1 过程中温度不变。功的获取可视为如右图所示。
图 4:卡诺循环
熵
温度
内部燃烧过程可简化为:
1. 空气和燃油混合燃烧,释放能量。
2. 活塞将热能转化为动力,动力通过机械装置(连杆和曲轴)
产生动能(力矩,T)。
3. 整个角位移(2π,弧度)上的平均力矩做功,乘以转数再除
以时间即得出功率:P=2πNT.
4. 在四冲程发动机中(图 3),燃烧循环为作功、进气、压缩和
排气冲程提供能量。
图 3:四冲程图表:奥托循环
吸气阀门开
排气阀门开
燃烧结束
点火
吸气
排气
压缩
膨胀
提高发动机性能的基本方法
虽然现代内燃机有许多改进措施,但是,相关基础原理却告
诉我们,无论具体设计细节或发动机类型如何,可从空气-燃
料混合物中获取的功是有限度的。换言之,对燃烧过程或热
功转化设备的任何操控,都不能背离物理学或热力学法则。
密封和轴瓦技术
现代发动机包含各种复杂并相互关联的系统,每个系统都
具有提高效率的极大潜力。例如,改进发动机气缸和密封
系统(活塞环、衬套和缸盖密封垫)间的相互作用可减少
缸孔变形导致的摩擦损失。辉门正在探索的主要方法包括:
• 通过增加高精度的拓扑特征来优化缸垫设计及螺栓载荷,
减小缸口变形(同时也有助于减轻缸体、缸盖重量)
• 通过优化订单内容并减小变形幅度来降低环张力。
辉门的动态密封部件(如 DynaFlex)可进一步直接减少摩
擦。这种油封在低摩擦损失下,能够提供高性能的动态密
封,并且同时适用于曲轴前后油封。虽然动态油封引起的
摩擦损失与发动机其它部位相比较小,但在参比发动机的
NEDC 测试循环中,辉门低摩擦动态密封的二氧化碳减排
效果仍超过 0.5 g/km。辉门用于降低 DynaFlex 密封摩擦
的技术和研发成果也可应用于动力总成其它部位的动态密
封,例如变速箱和轴。
减少二氧化碳排放并提高燃油经济性的另一趋势是增加变
速器的齿轮数量,以及使用双离合变速器 (DCT)。辉门的
Unipiston® 对于减少与变速系统相关的二氧化碳排放不可
或缺。
辉门的发动机轴瓦解决方案也有助于减排(同时降低了润
滑要求),这些方案通过各种几何改进大幅改善运动表
面。我们材料的性能允许大幅缩小轴直径,减少二氧化碳
排放达 1-2 g/km。
对于排放为 170 g/km 的车辆,这些工程成果分别可最
高降低汽油和柴油发动机的二氧化碳排放 2.5 g/km 和
2.0 g/km。
重要作用:
• 发动机换气过程(气门座圈和气门导管)
• 燃烧“形状”和密封(活塞、活塞环、缸套和气缸垫)
• 力的吸收和转化(轴瓦和衬套)
• 燃烧效率(点火元件)
辉门精心设计并应用这些内部元件和系统,显著降低了部
件重量和摩擦损失。
减少摩擦损失
活塞技术
传统活塞部件(活塞和活塞环)的摩擦损失约占发动机的
40%。辉门的动力总成部门开发出系统性解决方案,大幅
减少了摩擦功耗。在此系统中的主要创新有:
• EconoMiser 活塞 – 该汽油机活塞综合使用了辉门专有
的活塞裙部涂层以及改进的裙部刚度分布、椭圆度和型
线。它可降低活塞摩擦损失 35%,同时确保卓越的 NVH
性能。
• DLC 强化汽油机活塞环 – 辉门创新性“类金刚石涂层
(DLC)”和特别设计特征可减少活塞环切向弹力近 50%,
并大幅改进环组摩擦性能。
• 带 CarboDur 涂层的活塞销 – 这种活塞销涂层显著减少
了活塞销和销孔之间的摩擦。
除了这些产品本身的优势外,辉门还采用最新的 CAE 技术
大力减少元件重量来最大限度的提高效率。
®
®
提高发动机性能的基本方法提高发动机性能的基本方法