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자동차 엔진 연소 기술의 발전 추세와 향후 전망
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자동차 산업의 급속한 발전에서 다양한 문제를 해결하기 위해 과학 연구원들은 첨단 기술을 사용하여 내연 기관의 배기 정화 및 운영 과정을 효과적으로 개선했습니다. 최근 일본 내 정책의 끊임없는 지도와 지원으로 일본 정부는 순전기차 (EV) 를 점진적으로 보급하고 실제 응용에 투입하고 있다. 동시에 일본의 저탄소 수요를 충족시키기 위해 연구원들은 엔진의 열효율을 더욱 높여야 한다.
이 글은 우선 일본 사회경제의 발전 추세와 자동차의 보급을 설명하고 자동차 엔진 기술의 발전을 개괄적으로 설명하였다. 그런 다음 자동차 전기 구동 시스템에 사용할 수 있는 엔진을 전망하고 향후 엔진 연소 과정에 영향을 미치는 핵심 기술을 연구했다.
1? 사회적 필요와 엔진 기술의 새로운 발전
그림 1 에서 볼 수 있듯이 제 2 차 세계 대전 이후 사회경제가 점차 회복됨에 따라 일본 내 자동차 공업이 급속히 발전하면서 다양한 사회 문제, 특히 자동차 배출로 인한 환경 기후 악화와 인체 건강에 미치는 피해가 발생했다. 연구원들은 일본 각지의 자동차 배기가스 배출에 대한 조사를 통해 배출 기준에 대한 추가 요구를 제기했다. 사회의 요구를 충족시키기 위해 일본 정부는 새로운 배출 법규를 제정하고 배출 법규의 제한을 점차 강화했다. 최근 몇 년 동안 전 세계 온실효과를 억제하기 위해 연구원들은 자동차의 CO2 배출을 더욱 줄이고 엔진의 효율을 실현하며 자동차의 연료 경제성을 더욱 높여야 한다.
그림 2 에서 볼 수 있듯이 연구원들은 차량에서 배출되는 탄화수소 (HC), 질소 산화물 (질소산화물) 및 미세먼지 (PM) 를 측정하여 이러한 배출량 총량의 변화 과정과 차량당 배출되는 배출량의 비율을 계산합니다. 디젤차가 배출하는 배기가스 중 질소산소화합물과 미세먼지? 85% 정도 됩니다. HC 는 휘발유 자동차 배출의 약 60% 를 차지한다. 법률과 법규가 점차 강화됨에 따라 자동차의 오염물 배출이 점차 감소하기 시작했다. 현재 광화학 산화제와 PM2.5 를 제외한 다른 배출은 기본적으로 해당 환경 표준의 요구 사항을 충족시킬 수 있다.
앞서 언급한 배출법규를 충족하기 위해 연구원들은 엔진 성능과 연비 향상을 목표로 연구개발 과정을 더욱 전개하기 시작했다. 엔진 부품 기술을 포함한 많은 주요 돌파구는 주로 고급 수치 계산 방법 및 분석 기술 덕분입니다.
연구원들은 휘발유 엔진의 다음 기술 분야에서 일련의 진전을 이루었다: (1) 급유 시스템의 정확한 공연비 제어, 감속 시 실린더 기술 정지 (2) 점화 플러그 기술 개선 및 고 에너지 점화 기술; (3) 밸브 구동 시스템의 캠 구동 방식 개선 및 위상 및 가변 리프트 기반 제어 기술 (4) 폭연 과정을 최적화하고 펌핑 손실을 줄인다. (5) 배기 가스 재순환 (EGR) 및 가압 시스템을 포함한 향상된 흡기 및 배기 시스템 기술을 사용합니다. (6) 기계적 손실을 줄이기 위해 윤활, 냉각 등의 기술을 채택했다.
또한 디젤 엔진 기술 분야에서는 4 밸브 시스템, 실린더 내 직접 분사 기술, EGR 장치, 중냉 시스템, 가변 단면 터빈 증압 시스템 및 * * * 레일 연료 분사 시스템 등에서 일련의 진전이 이루어졌습니다. 산화 촉매기와 디젤 미립자 필터 (DPF) 를 사용하고 질소산소 화합물 촉매기의 배기 후 처리 시스템을 줄임으로써 연구원들은 배출을 줄이고 전체 기계의 열효율을 높이는 기술 목표를 점진적으로 달성했다.
2? 자동차 전기 구동 시대의 엔진 기술
20 17 이후 자동차 전기 구동 시스템이 급속히 발전해 왔으며, 그 발전 과정은 (1) 주요 국가 및 지역 (예: 서유럽, 중국, 미국 캘리포니아 등) 의 정부 및 관련 부서) 와 밀접한 관련이 있습니다. (2) 주요 자동차 제조업체 (OEM) 의 관리 정책.
유럽에서는 대중디젤 엔진 배출문을 계기로 기존 내연 기관 자동차에 대한 배출법규를 다시 제정하고 환경문제를 해결하는 방안을 제시했다. 동시에 EV 와 플러그 하이브리드 전기 자동차 (PHEV) 도 점진적으로 출시됩니다. 중국에서는 관련 환경정책을 채택하는 것 외에도 정부부처도 신에너지 자동차 (전기자동차, FCV, PHEV) 의 생산과 판매를 대대적으로 추진하고 있다. 그림 3 에서 볼 수 있듯이, 최근 10 년 동안 우리나라 승용차 보유량이 급속히 증가했다, OEM? 우리는 또한 각종 방식을 통해 중국 자동차 시장의 발전 추세를 깊이 이해하고 상응하는 전략적 방침을 탐구하고 있다.
이러한 추세를 겨냥해 자동차 업계의 산업 구조에도 일련의 변화가 일어나 여러 업종의 종사자들이 점차 자동차 분야에 합류하고 있다. 새로운 에너지 자동차가 전 세계적으로 보급됨에 따라 각 수레업체들은 규범화된 발전을 이루기 위해 잇달아 업무 규모를 확대하고 있다. 이와 함께 각 수레업체들은 전기 설비 호스트 공장과의 협력을 강화하고 배터리 공급 체계의 건설과 개선을 보장함으로써 점차 이 분야에 기반한 기술 플랫폼을 구축하고 있다.
현재 자동차 전기 구동 시대의 수요에 적응하기 위해 엔진 기술은 점차 다양화 추세를 보이고 있으며 각종 혼합동력 시스템도 충분히 발전하고 있다. 하이브리드 자동차 (HEV) 는 여전히 전통적인 화석 연료를 탑재해야 하기 때문에 엔진 연료 경제성을 지속적으로 높이는 것이 최우선 과제다. 엣킨슨 순환 등 기술이 효과적으로 적용됨에 따라 HEV 는 자동차 연료 소비를 20 ~ 50% 정도 줄일 것으로 예상된다.
현재 연구원들은 연소 제어 기술, 냉각 손실 감소 및 폭연 억제와 관련된 기술을 시급히 해결해야 할 중요한 과제로 꼽았다. PHEV 의 기술적 이점은 HEV 와 유사합니다.
PHEV? 차량 항속 마일리지를 효과적으로 연장하여 연료 소비를 충분히 줄일 수 있다. 그러나 배터리 용량이 늘어남에 따라 차량 품질이 높아지면서 연비 악화와 비용 증가로 이어질 수 있다. 이에 대해 연구원들은 순수 전기 구동을 기본 구동 방식으로, 최대 전력은 20 이라고 제안했다. KW? 소형 엔진을 증성기로 삼다. 이와 함께 연구원들은 엔진 마찰 현상을 개선하기 위해 노력하고 있으며, 동시에 동력 장치를 경량화하고 엣킨슨 순환을 적절하게 채택하고 있다.
3? 엔진 연소 기술 개발
3. 1? 새로운 연소 모드
자동차 엔진의 효율을 실현하기 위해서 연구원들은 반드시 선진적인 부품 기술을 사용해야 한다. 냉각 손실을 충분히 고려해 연구진은 발열 계수를 연구했다. 연소 기간 동안 연구원들은 열효율이 발열이 시작될 때 점차 높아지기 때문에 연소 기간의 점화 타이밍을 제어해야 한다. 최대 압력이 낮은 수준으로 제한되면 연소 기간이 짧을 때 연구원들은 열 방출의 시작을 연기해야 한다. 묽은 혼합물을 태우는 조건 하에서 엔진의 연소 기간을 단축하기 위해 일부 연구자들은 사전 혼합 연소를 효과적으로 활용하는 방안을 제시했다.
현재 연구원들은 균일량 압축 점화 (HCCI) 기술에 점점 더 많은 관심을 기울이고 있다. HCCI 기술은 휘발유 엔진의 저부하 조건에서는 충분히 작용할 수 있지만, 가변 조건에서는 혼합가스의 자연 발화 과정을 적절히 통제하기가 어렵다. 그러나 일부 혼합물은 스파크 점화를 통해 안정적으로 연소할 수 있다. 현재 희박한 혼합기압 연소를 실현하고 빠른 연소를 통제하는 방법이 이미 시행되었다. 가변 밸브 구동 시스템을 이용하여 압축비의 가변 과정을 실현하는 것 외에도 기계적 증압을 이용하여 공기 흡입을 조절하는 것 외에도 연구원들은 고압 휘발유를 이용하여 직접 분사하여 적절한 혼합가스를 형성하고, 대형 유량 EGR 을 이용하여 연소 온도를 낮추어 질소산소 화합물 배출을 낮춘다. 한편 연구원들은 각 실린더에 있는 연소 압력 센서를 사용하여 수집된 부하, 속도, 외부 온도, 기압 등의 매개변수에 따라 연소 과정을 정확하게 제어할 수 있습니다.
연구원들은 또한 사전 혼합 압축 점화 (PCCI) 기술에 대해 대량의 연구를 진행했다. 이 연소 모드에서는 질소산소화합물과 탄소연기 배출이 동시에 감소하지만, 분사량을 늘리면 혼합가스 농도가 증가하고 연소 과정이 너무 거칠어지기 때문에 이 연소 기술은 일반적으로 부분 부하 조건에서만 적용된다. 현재 대형 유량 EGR 을 사용하는 것 외에도 밀러 주기는 효과적인 압축비를 낮출 수 있으며, 고부하 상태에서도 안정적인 연소 과정을 실현할 수 있으며 질소산소화합물과 PM 도 크게 낮출 수 있다는 연구결과가 나왔다. 동시에 연구원들은 팽창비를 조정하여 열효율을 유지할 수 있다. 앞으로 연구원들은 분사와 연소 제어 등 관련 기술의 효과적인 응용을 통해 엔진의 효율적인 운행 영역을 확대할 수 있다.
최근 연구진은 반응 제어 압축 점화 (RCCI) 기술을 연구했다. 이런 연소 과정에서, 예혼합 가스의 빠른 연소는 등용량을 높이는 주요 방법이며, 높은 지시열효율을 얻을 수 있다. 각종 부하 조건에서 안정된 점화 제어를 통해 격렬한 발열 과정을 억제하고 연소 효율을 보장하는 것이 시급히 해결해야 할 중요한 문제이다. 열효율을 더욱 높이기 위해 연구원들은 위에서 언급한 PCCI 연소 기술이 좋은 응용 전망을 가지고 있으며, 엔진의 효율적인 작동 영역을 확대하기 위해서는 흡기 배기 제어 및 연료 분사 제어와 같은 첨단 기술을 적절하게 채택해야 한다고 생각합니다.
3.2? 연료-공기 혼합 및 연소
기름가스 혼합가스의 형성은 엔진의 연소 과정에 중요한 영향을 미친다. 그림 4 는 계산유체역학 (CFD) 에서 얻은 다양한 연소 모드의 50% 연소 중 발열률과 당량비-온도 T 의 분포도입니다. 연소 반응 과정은 주로 연료 공급 방식, 고정 시간의 연료 공기 혼합물 형성 과정, 연소 가스의 플루토늄-T 를 포함한 다음과 같은 요인에 의해 영향을 받는다. 배포。
일반 디젤 연소 과정에서 혼합물에 불이 난 후에도 연료 분사는 여전히 실린더에서 계속된다. 레이어 혼합물을 희석하는 과정에서 스프레이와 연소 과정이 계속됩니다. 점화 및 연소 과정의 조작성은 양호하지만 질소산소화합물과 탄소연기를 동시에 낮추는 것은 시급한 과제다. PCCI 연소 모드의 경우, 일반적으로 압축 스트로크에서 다양한 스프레이 전략을 사용하여 혼합물을 계층화합니다. 질소산소화합물 배출은 높고 탄소담배 배출은 상대적으로 낮습니다. 이런 상황에서 연구원들은 분사를 연기하여 연소 기간을 연장하여 압력 상승률을 낮출 수 있다. HCCI 연소 과정에서, 보통 흡기 스트로크에서 기름을 공급하여, 묽은 혼합기가 압력을 가할 수 있게 한다. 질소산소화합물과 탄소연기의 배출은 적지만 화학반응 속도의 영향으로 점화와 연소 과정을 통제하기가 어렵다. 고압 상승률과 저부하 조건에서는 연소 효율이 그에 따라 낮아진다. RCCI 연소 과정에서 연구원들은 양자의 연료비와 연료 분사 타이밍을 조정했기 때문에 질소산소화합물과 탄소연기 배출을 효과적으로 억제하여 안정적인 점화 및 연소 제어 과정을 실현할 수 있다. 현재 저부하 연소 효율을 높이고 고부하 연소 소음을 줄이는 등의 문제는 여전히 시급히 해결되어야 한다.
최근 몇 년 동안 컴퓨터 과학의 급속한 발전에 따라 엔진 연소 과정에 사용되는 CFD 기술이 크게 발전했고 예측 정확도도 크게 향상되어 현재 R&D 과정에서 없어서는 안 될 도구가 되었습니다. 현재 연구원들은 예측 정확도를 더욱 높이고 연료-공기의 미시 혼합 형태를 관찰할 필요가 있다
그림 5 에서 볼 수 있듯이 연구원이 제시한 무작위 프로세스 이론 모델에서는 원래 분리된 연료 (연료 품질 비율 Y= 1) 와 공기 (Y=0) 가 난기류 혼합을 이루고 무작위 프로세스 이론에 따라 점차 균일한 혼합 과정을 형성합니다. 이 혼합 과정에서 관련 연구자들이 제시한 양체 충돌 재분산 모델이 적용되었다. 이 모델은 터뷸런스 특성에 의해 결정된 주파수 ω를 사용하여 1 개의 큰 유체 블록을 충돌 융합 프로세스 후 두 개의 동일한 작은 유체 블록으로 분해합니다.
연구진은 ω 대 시간 적분을 통해 1 개 유체 블록의 평균 충돌 수와 일치하는 치수 없는 시간 η를 정의하여 혼합도를 나타내는 데 사용할 수 있습니다. 즉, η=2 일 때 분산 농도에 따라 분산되지만 η=6 에 도달하면 농도가 정규 분포에 가까워집니다. η= 12 이면 농도가 평균 농도인 Yo 에 더 가까워져 균일한 혼합물을 형성할 수 있음을 나타냅니다. 그림 5 에서 서로 다른 색상 패턴은 연료가 공간에서 균일하게 부서질 때의 농도 분포를 보여 줍니다. 따라서, 그것은 터런스 혼합 과정의 평가 지표로서 중요한 역할을 한다. 또한, ω? 터뷸런스 강도 u' 와 적분비 l? ω=0.4u'/L 로 표현할 수 있는 수치 관계가 있습니까? 공식을 계산할 수 있습니다.
연구원들은 이 모델을 이용하여 디젤의 무차원 연소 과정을 예측했다. 계산에서 시간에 따라 변하는 발열 및 압력 과정을 얻었다. 연구원들은 이에 따라 EGR 조건에서의 분사량, 스프레이 타이밍, 소용돌이비, 항아리 내 압력 및 발열률을 계산하여 NO 생성량의 변화를 합리적으로 예측할 수 있다.
이 모델을 통해 연구원들은 연료-공기 불균형성과 농도, 연소 후 온도, NO 생성율의 확률 분포를 얻을 수 있다. RANS 기반 CFD 시뮬레이션을 적용함으로써 연구원들은 각 컴퓨팅 단위에서 마이크로혼합을 효과적으로 기록할 수 있습니다. 반응역학 계산 방법을 도입함으로써 연구원들은 이를 디젤기관의 PCCI 연소 과정에도 적용할 수 있다. 또한 무차원 계산 외에도 연구원들은 스프레이의 점화 과정을 예측하고, 측정된 압력과 발열율에 따라 혼합 시간에 따른 변화 함수를 얻어 여러 번 분사할 때의 배기가스를 예측할 수 있다. 일반 연구자들은 강한 난류장에서 점화 불확실성과 순환 변화의 예측 결과와 벽 충돌로 인한 유동 과정의 관측 과정도 중요한 역할을 한다고 생각한다.
3.3? 연소실 벽 근처의 현상에 대한 설명
최신 연소 시스템 설계 방안을 채택함으로써 연구원들은 다양한 엔진 기술 지표와 작업 조건에 대해 최적의 연소 제어를 실시할 수 있지만, 연소 과정과 열효율을 더욱 개선하려면 아직 해야 할 일이 많다.
연소실 벽면의 열전도 불안정성을 해결하기 위해 연구원들은 그림 6 과 같이 정용연소 장치와 고응답 열유속센서 (Vatell, HFM-7) 를 사용하여 기체제트의 화염과 균일한 혼합물의 화염을 통해 벽면의 열 흐름의 변화를 측정했다. 그림 7 은 사전 연소 모드 (온도 950 C) 의 도식입니다. K, 압력이 2 인가요? MPa, 산소 농도는 2 1%), 구멍 지름은 0.8? 응? 노즐의 사출 압력은 8 입니까? MPa, 스프레이 기간은 9? Ms 의 매개변수는 수소 연료를 주입하여 스스로 불을 붙인 결과이다. 그림 7 은 실린더 내 연소 압력 P, 발열율 dq/dt, 평균 온도 Tave, 연소실 벽의 두 지점 p+0 및 P2 에서 측정한 열유속 qhf 의 시간 및 스프레이 후 시간 T 를 보여 줍니다. 관계. 그림 7(a) 의 숫자는 역광 촬영 그림 7(b) 의 이미지에 해당하며, 스프레이가 컨테이너 벽과 충돌한 후 뿜어져 나오는 시간 (이미지 1) 과 3.25? Ms P2 근처에서 화재가 발생하면 dq/dt 값이 급격히 증가합니다 (그림 ③). 화염이 P2 (그림 2) 에 도달한 후 빠르게 전파되고 (그림 4), 확산 연소를 하고 그림 ⑤ 에서 P 1 의 작업점에 도달한다. 스프레이 과정이 끝나면 (그림 ⑦) dq/dt 값이 낮아지고 화염 밝기가 낮아집니다 (그림 ⑧, 그림 ⑨). Qhf 는 위에서 언급한 연소 영역의 변화 과정에 해당하며, P2 는 이미지 ④ 순간에 급격히 증가하고, 이미지 ⑥ 시에는 P 1 입니다. P2 는 확산 연소 중 비교적 일정한 값 (그림 4 ~ 그림 ⑦) 을 유지하며 화염 밝기가 감소함에 따라 (그림 ⑧, 그림 ⑨) qhf 도 천천히 낮아진다. 이미지 ⑦ 에서 P 1 의 최대값이 나타나면 qhf 값도 떨어집니다. 또한 P2 의 qhf 값이 P 1 보다 높은 이유는 연소 가스가 P2 근처에서 단열 압축으로 인해 온도가 더 높기 때문입니다. 위의 분석에 따르면 연소실 벽 근처의 화재 과정에 대해 (1) 연소 과정에서 더 큰 열 손실이 있다는 두 가지 결론을 내렸습니다. (2) 가연성 혼합물의 자연 연소 과정에서 qhf 값은 상대적으로 높다.
또한 연소 과정에서 열전도를 직접 관찰하기 위해 연구원들은 5 개의 작은 열전대가 있는 센서를 사용하고 벽 근처의 온도 분포를 측정했습니다. 5 개의 소형 열전대는 각각 A, B, C, D, E 입니다. 여기서 A, B, C 선 지름은 25 입니까? 미크론, D 선 및 E 선의 지름은 75 입니까? 미크론, 스트레칭 거리는 δ입니다. 그림 8(a) 은 연소실의 압력 P, 발열율 dq/dt, 각 열전대의 온도 T, 국부 열유속 qhf 의 기간 및 점화 후의 시간 T 를 보여 줍니다. 관계. 그림 8(b) 은 qhf 와 T 사이의 관계뿐만 아니라 두 시간 (23.90? Ms 와 32.45? Ms) 그리고 화염 전선이 벽면에 약 5? 14 의 Mm? Ms 뒤에 불꽃 앞과 벽 사이의 거리 x 를 표시합니다. 그림 8 은 δ를 보여 줍니까? 값, 배럴 안의 온도가 급격히 상승할 때, 같은 선경 조건과 δ? 이 값이 크면 온도가 빠르게 상승합니다. 델타에서요? 같은 조건에서 선 지름이 작을수록 시간 상수가 빨라진다. T 와 qhf 는 가스가 없는 압축 및 가열에 따라 천천히 증가합니다. dq/dt? 숫자 값은 크게 증가할 수 있습니다. 화염 전선이 벽면에 도달한 후 가장 큰 qhf 로 변하는 것에 비해 T? 최대값의 출현에는 지연 현상이 있다. 연구진은 열전쌍 신호의 시간 상수를 충분히 고려하고 보정했지만 T 의 최대값은 화염 온도보다 낮았다. T 때문에? 최대값은 δ에 따라 달라질 수 있습니까? 연구원들은 T 의 수치가 경계층의 온도 분포에 어느 정도 영향을 줄 수 있다고 생각한다. 서로 다른 조건에서 동일한 계산의 결과에 따라 다음과 같은 추세를 얻을 수 있습니다. 높은 연소 온도 조건에서는 압축 가열으로 인해 온도와 열 흐름 형성 속도가 빠르게 증가하고, 온도 구배가 크기 때문에 qhf 도 그에 따라 증가합니다.
최근 몇 년 동안 연구원들은 근벽 현상에 대해 측량 연구와 모형 실험을 진행하고 있다. 엔진 연소실 벽면의 열류를 예로 들자면, 연구원들은 줄곧 열전쌍 테스트를 채택하여 비정상 열 전달 분석에 근거하여 계산을 하였다. 디젤 엔진 분야에서는 연소실 벽면의 충돌로 열유속 밀도가 높아지면 열효율 향상이 제한되기 때문에 연구원들은 현재 여러 센서를 사용하여 열유속 밀도를 측정하고 연소 현상을 연구하고 있다. 이와 함께 연구원들은 레이저 전자센서 (LES) 를 사용하여 연소실 벽면의 스프레이 역학과 국부 열유속 분포를 수치 분석하고 벽 근처 화염의 확대 사진 이미지를 연구했다. 열 전달 계수 및 열 흐름 밀도는 온도 경계층 두께의 추정 결과에 따라 검사됩니다.
최근 몇 년 동안 벽온회전 단열막을 이용해 열효율을 높이는 효과가 연구자들의 관심을 끌었다. 연구원들은 레이저 유도 형광 (LIF) 및 입자 이미지 속도 측정 (μPIV) 을 기반으로 한 벽 온도 측정 방법을 사용하여 벽 근처의 가스 흐름을 측정합니다. 관련 연소 메커니즘은 위의 방법이 엔진의 연소실 설계 과정에 효과적으로 적용되고 있음을 보여준다. 또한 MEMS 기술을 기반으로 한 인접한 다중점 열 흐름 테스트 센서가 성공적으로 개발되어 향후 엔진 테스트 분야에 적용될 것으로 예상됩니다.
4? 결론
사회적 수요를 효과적으로 충족시킬 수 있는 자동차 엔진 기술의 발전을 총결하고 자동차 전기 구동 시대의 관련 발전 조건을 전망했다.
환경과 물질적 수요가 변화함에 따라 각 업종의 자동차 성능에 대한 요구도 점차 높아지고 있다. 현재, 에너지 절약과 소비 감소의 기술 이념에 따라 과학 연구원들은 여전히 엔진의 열효율을 지속적으로 높여야 한다. 기름가스 혼합기의 형성 과정, 연소실 벽 부근의 연소 현상 및 제어 기술은 앞으로 몇 년 동안 중점 연구 분야가 될 것이다.
이 글은' 자동차와 신동력' 잡지 2020 년 5 호에 발표되었다.
저자: [일] 쓰나미 도로 창홍
정리: 팽혜민
편집: 우스터
이 글은 자동차 작가 자동차의 집에서 온 것으로, 자동차의 집 입장을 대표하지 않는다.