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    图文:

    这些年,很多发动机的黑科技,比如米勒循环、

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    可变压缩比VC-TURBO、

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    低温快燃,各种气门控制如可变正时、可变升程、可变持续时间,还有最新量产的均质压燃等,主要都是为了提升发动机的热效率。

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    热效率,就是指发动机烧了多少油,是汽油不是机油啊。。

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    这其中多少油可以用来对外做功,比如烧了1升油,可能只有300mL做了有效功,剩下的70%都被浪费掉了,这个30%就叫热效率,或者叫有效热效率。

    长期以来,最高热效率的发动机基本都是被日企垄断的,比如丰田、本田,还有日产、马自达等。

    但是,这两年,国产汽车、自主品牌的发动机却开始快速崛起。

    目前丰田、本田量产发动机的最高热效率,40%出点头,而我们国产的发动机有些达到38%,39%,甚至最高的达到了40%,足以媲美丰田本田,牛逼!

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    这个40%最高热效率,就是长安汽车UNI-T上搭载的一款1.5T发动机,代号JL473ZQ5。

    所以我们国人都很高兴,为自主品牌这几年长足的进步感到骄傲和自豪,同时这款UNI-T车型上市几个月以来,销量也不错,月均一万多一点。

    但是,我们发现一个问题,某熊油耗上,unit车主的众测油耗却比较高,在同级别车型中也比较靠后,比如我们选择紧凑级SUV,并限定为自动挡、非混动车型、18年之后上市的这几项条件,一共124款车系中,UNI-T居然排到了84位,油耗9.61L/百公里。

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    如果这124款车分成高中低三档的话,UNI-T直接归到低档去了!

    所以这个数据就让人很费解,明明是同级别最高的热效率,而且匹配的变速箱也是高传动效率的DCT, 7挡双离合,为什么实际的油耗表现这么差呢?

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    后来我去查资料,发现UNI-T的维修手册上有它的设计规格,标明了这款JL473ZQ5的发动机,最低的BSFC,即有效燃油消耗率是235g/kWh。

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    而这个BSFC是可以和有效热效率互相换算的,用什么换算呢,汽油的一个参数,低热值,根据国标GB T2589《综合能耗计算通则》,汽油的平均低热值是43070kJ/kg

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    按这个去计算就可以,具体的计算方法今天不讲,以后再跟大家科普,那么最低235g/kWh的BSFC,换算成最高的热效率就是35.6%!

    诶,这个就有意思了!

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    你看他官网宣传都是40%,但是设计规格上数据,算下来只有35.6%,低了11%,两个数据打架,你说哪个准,我不知道,但从实测的油耗来看。。。

    你们说哪个更可信?

    另外,还有某乎上汽车工程专业的网友,提出一种说法,也很有意思,大家看看这种说法靠不靠谱啊?

    他说,这台发动机目前的最高热效率大概就是36%,(跟我算的一样,是吧),但是,如果未来增加了米勒循环和低压EGR系统,可以提升到40%,但是不知道后来怎么传着传着,就变成现在是40%了。

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    诶,这个说法真有意思啊,有鼻子有眼,听着怪可信的,到底是不是真的,你们自己体会。

    至于真相是什么,咱不知道,咱不是发动机工程师,也没有实验室来测试,只能通过数据去分析一下。

    所以长安UNI-T这台1.5T的发动机最高热效率到底是40%靠谱,还是35.6%更可信,评论区你们自己说!

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    耗子尾汁。。。

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    日系的自然吸气发动机一向以稳定可靠著称,虽然在德系推动的涡轮增压技术的压力下日系在传统动力上也逐渐进入增压时代。

    但是自然吸气技术并未被日本车企放弃,而是在日系最擅长的混动领域继续大放异彩。

    2019年沃德十佳发动机中本田2.0L阿特金森循环混动发动机和丰田Dynamic Force 2.0L自然吸气混动发动机双双获奖,证明了日本自然吸气技术在混动领域的成功。

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    今天的主角就是2019年沃德十佳的丰田最新Dynamic Force发动机家族,该家族包含2.0L2.5L两个发动机排量,采用阿特金森循环,混合动力版本热效率能够达到41%,非混动的普通版本也可以实现40%的最高热效率,是当今量产发动机里面热效率最高的发动机。

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    虽然马自达宣称其全新的Skyacitve X火花塞辅助压燃SPCCI发动机能够达到50%的热效率,可以其连续的跳票使得丰田Dynamic Force在至少在今年还可以继续站在全球量产发动机热效率的顶峰。

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    下面我们来看一下丰田Dynamic Force发动机的41%热效率主要是如何实现的?

    ——答案就是先进的阿特金森燃烧系统。

    目前量产的阿特金森循环发动机都是通过对气门正时的控制来实现的。简单来说就是利用进气门晚关的策略,在活塞到达进气下止点开始进入压缩冲程的时候保持进气门开启一段时间,使得部分已经进入气缸的空气重新被压回到进气管中,从而降低部分负荷下的泵气损失。

    同时,这样也允许发动机使用比较高的压缩比,从而在膨胀做功冲程的时候能够利用高压缩比来进一步提高热效率。下面是通过控制气门正时实现阿特金森循环的示意图:

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    说到阿特金森循环,大家普遍认为日系如今流行的阿特金森循环是由马自达的SKYACITVE创驰蓝天发动机开始的。

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    其实,丰田应该是最早量产阿特金森循环发动机的汽车企业。

    在丰田的第一代普锐斯混合动力车型上,就已经采用了阿特金森循环发动机。不过由于当时的技术所限,阿特金森循环发动机的功率非常低,只能用于混合动力发动机,无法在传统发动机驱动的车型上使用。

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    后来随着发动机技术尤其是VVT可变气门正时技术的发展,日系阿特金森循环发动机的技术取得了长足的进步,自从电动VVT加入以后,由于其更大的气门正时调节角度和更快的响应速度,使得阿特金森循环发动机也能实现比较高的性能。

    这是目前日系阿特金森循环发动机全面开花的技术基础。下图是电动VVT的示意:

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    在Dynamic Force发动机上丰田为了实现41%的热效率,丰田采用了最新的阿特金森循环燃烧技术,其主要特点如下:

    第一个特点是,采用更大的冲程缸径比结构来实现高效率。

    丰田在Dynamic Force发动机上将缸径从上一代发动机的90mm缩小到87.5mm,而同时将冲程从原来的98mm增加到103.4mm。这样就实现了高达1.18的冲程缸径比,从而使得提高中低转速下的热效率具备了良好的结构基础。

    第二个特点是高压缩比。

    阿特金森循环的特点就是高压缩比,在Dynamic Force发动机上混合动力版本的压缩比高达14,而普通版本也能够达到13。

    第三个特点是,高滚流的气道设计。

    丰田为了这套阿特金森燃烧系统,重新开发了气道,改变了气门夹角使之能够产生更加强力的气流运动,从而优化缸内混合,使油气混合更快,更均匀,燃烧速度也就更快。

    为了实现高滚流气道,丰田采用了先进激光喷涂的气门座圈工艺,大大减小了传统压入式气门座圈占用的宝贵进气道入口空间,留出更多空间给气门来进气,从而实现高滚流。

    下图是丰田气门座圈激光喷涂工艺的示意。

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    第四个特点是EGR废气再循环。

    EGR废气再循环,就是将一部分排气中废气重新引入汽缸内部重新参与燃烧,这样可以降低小负荷时的泵气损失,改善油耗。

    但是过大的EGR率会引起燃烧不稳定,丰田设计的高滚流气道和快速的燃烧系统可以容纳更大的EGR率,并通过缸盖水套对EGR进行冷却,这使得这台发动机的EGR率最高可以达到25%。

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    第五个特点是电动进气VVT。

    丰田在进气凸轮轴上采用了其称之为VVT-iE的电动VVT。这样可以实现快速的VVT调节,满足阿特金森循环中进气门晚关策略的实现。

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    第六个特点是双喷射系统

    Dynamic Force 发动机采用了丰田的双喷射系统。也就是每个气缸有两个喷嘴,一个GDI直喷喷嘴加一个PFI气道喷射喷嘴。

    基本控制策略是:在小负荷时采用气道喷射喷嘴,在大负荷时采用GDI直喷喷嘴,中间负荷两种喷嘴共同工作。双喷射系统主要的目的有两个:

    一是,降低油耗。在小负荷PFI气道喷射喷嘴工作时,高压喷射系统不工作,高压油泵需要保持非常低的气道喷射供油压力即可,因此阻力会降低,有利于降低油耗。

    二是,降低排放。由于直喷系统虽然高速高负荷效率更高但是会产生颗粒物排放。因此,增加一个PFI气道喷射喷嘴在低负荷工作,就可以避免颗粒物排放了。

    同时,丰田在活塞上裙部上采用了特殊树脂涂层涂附在预先加工的沟槽位置来降低摩擦。

    而为了降低润滑系统的阻力,丰田在采用了基于MAP控制的连续可变排量机油泵,这种设计可以在低速低负荷采用低油压来降低机油泵驱动阻力,提高效率,在高速高负荷采用好油压来保证润滑。

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    在降低冷却系统阻力上,丰田设计了电子水泵来取代传统的机械水泵。同时,电子水泵和电子节温器还可以一起实现灵活的发动机热管理控制策略,可以加快发动机暖机,进一步降低油耗。

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    可以说,丰田几乎把目前自然吸气发动机最新的技术成果都集成在了Dynamic Force发动机上,实现了高性能和低油耗的统一,其最高41%的热效率是目前的业界翘楚。

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    减速剂与冷却剂

    SCWR以超临界水作为中子减速剂与冷却剂。当水在临界点以上时,蒸气与液体的密度会相同且无法区隔开来,因而毋须加压器与蒸气产生器(PWR),或是蒸汽喷射器、内循环泵、气分离机与干燥器(BWR)。这也可避免水沸腾,产生混乱的空泡,使密度与减速效果下降,这种情形在轻水反应堆中会影响水流与热传,甚至使能量不易预测与控制。因此SCWR的新式结构可以减少建筑成本和改善安全性。

    SCWR的中子能谱仅部分慢化,使之在某些时刻变成快中子反应堆。这是因为超临界水本身的密度与减速效应都较普通水稍低,但有较好的热传性。在一些快中子能谱设计中,水作为堆芯外部的反射层,或作为中子部分减速之用。

    快中子能谱有以下优点:

    • 较高能量密度,能比相同大小的反应堆产生更多能量。
    • 核转换比大于1,可作为滋生式反应器使用,天然铀中的U238使用效率提高。
    • 快中子促使锕系元素等长半衰期核裂变产物进行核迁变,减少核废料中长半衰期元素的比例。

    燃料

    堆芯装载的是如同BWR的传统多捆束状结构的核燃料,可减少温压变化导致的不均匀热点分布。浓缩铀燃料的浓度较高,以抵消外层屏蔽所吸收中子的负面影响。因为会被腐蚀而起不了作用,所以束状燃料外部并无包覆锆化合物层,改采不锈钢或镍合金。而燃料棒必须能够承受超临界环境或突发的能量波动,设计时考量了4种突发状况:脆断、屈曲腐蚀、高压毁损和潜变。为了减少腐蚀,我们加入氢气至水中。也有人想出高温气冷式反应堆BISO的概念,[2]利用抗蚀材料碳化硅包覆铀燃料外层。

    控制

    SCWR也如同PWR使用控制棒控制核反应进行。

    材料

    SCWR内部材料所承受的运作环境较LWR、LMFBR与超临界蒸气锅炉严苛,因而需要较高品质的堆芯材料(尤其是核燃料外部包覆层)。除此之外,一些元素也会因为吸收中子而活化产生放射性,例如:59Co吸收一个中子变成60Co,后者会放出强烈伽玛射线,所以钴不适合作为反应堆的合金材料。

    研究与发展方向:

    • 超临界水受辐射影响下的化学性质(避免受应力崩解与维持在高温或中子辐射下的抗性)。
    • 材料尺寸及微观结构的安全性(避免脆化与保持在高温或中子辐射下的潜变抗性)。
    • 使材料能够承受严苛运作环境,且避免吸收过多中子,危及燃料经济性。

    优势

    • 运用超临界蒸气发电机的朗肯循环改善效率。
    • 较高的运转效率意味着较佳的燃料经济性(使用较少燃料),并且衰变热较低。
    • 超临界水有绝佳的热传性质,允许在小型堆芯结构下的高能量密度的流动。
    • SCWR属于一次直接循环设计,即从堆芯流出的高温超临界水直接送至涡轮发动机发电。这让整体结构设计变得较PWR简单,类似BWR结构。SCWR甚至精简了BWR的部分装置,它的反应堆槽内没有内循环泵、再循环流体系统、气分离机与干燥器。它的围阻体内部存储能量低于PWR。
    • 与液态金属冷却反应堆相较,水是液态、无毒且便宜的物质,易于检修。
    • 一座快中子超临界水反应堆可作为滋生式反应堆使用,可把长半衰期的锕系元素烧掉。
    • 超临界重水反应堆可以利用钍燃料进行滋生。

    挑战

    • 在高温超临界水与辐射影响下,延展性材料的研究与发展。
    • 在特殊启动过程下,避免水达临界温度前的不稳定情况。
    • 若意外出现低水位情形,使散热及冷却效果减低,过高温度会对燃料外部包覆结构产生负面影响。
    • 高温与高压对材料的应力承受有很大的影响。例如:压力管。
    • 在堆芯出口末端的冷却剂密度会急速下降,导致需要额外减速材料补强。许多新设计会用内部给水导管,从最顶端的管线通过堆芯,提供另一道掺入减速材料的水流。这方法可使整个反应堆槽得到冷却,但会使材料品质要求增加(要能抗高温、较大温度变化和强烈辐射)。新型压力管设计也有潜在问题:大多数导管中的减速剂是低温低密度的,这会使冷却剂密度在减速过程中下降[5]
    • 一座快中子超临界水反应堆需要较复杂的堆芯设计,以维持负的空泡系数。
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空空如也

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循环热效率和热效率