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巴西市场1.6L弹性燃料发动机的发展
Mauro Berti Giroldo
William Makant
Edward Werninghaus
Eugenio P. D. Coelho
摘要：
本文介绍了为巴西市场开发的福特Zetec RoCam 1.6L弹性燃油发动机的优点和所取得进步。
巴西市场提供的氧化燃料：（i）水合乙醇，被称为乙醇或简称为E93（93％的乙醇）和（ii）巴西汽油，也被称为汽油醇或简称E25（巴西汽油是纯汽油与24％至26％无水乙醇的混合物），燃油特性详见附录。
在2003年，汽车制造商开始生产能够同时使用燃料和任何混合燃料运行的汽车，代替了以前只能使用单一燃料运行的汽车。这些新生产的汽车被称为弹性燃料汽车（FFV）或简易弹性燃料汽车。由于客户选择燃油作为价格、可用性和性能与驾驶范围参考量，这些汽车的市场份额每年都在增加。
发动机的开发是基于一种针对乙醇使用和优化的发动机，它可以与汽油醇或上面列出的燃料的任意混合物一起运行。此项目为使用高压缩比的E25燃油发动机提供了工程解决方案，其中包括电动温控阀，新的燃烧室设计，进气和排气系统以及修订的曲轴箱通风系统，从而获得更好的发动机输出功率。
引言
相比单一燃料的发动机，开发项目战略强调了车辆的特性，如在汽车性能和燃油经济性方面，应优先使用E93燃料，并且E25燃料的使用量不会降低。
基于上述限制条件，所实施的技术路线如下：
- 优化压缩比;
- 新的活塞和燃烧室设计;
- 主动全量程爆震控制;
- 优化发动机进气和排气流量;
- 优化燃烧室的冷却;
- 用电动温控阀管理冷却液;
- 燃料为乙醇类;
- 修订气门机构部件材料;
- 优化曲轴箱强制通风系统（PCV）。
发动机设计
优化压缩比——压缩比是一个可调参数，调整它以最佳地满足开发目标。改变压缩比会使燃油经济性、排放和性能产生复杂的变化。
燃油辛烷值是衡量燃料抗爆震性能的标准。测量辛烷值的最常见方法是研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON），这两种测量方法的平均值被定义为抗爆震指数（AKI）。 这两种测量方法都使用标准单缸，可变压缩比的发动机。根据ASTM标准的D2699和D2700，不断增加发动机的压缩比，直至发生爆震情况。
辛烷值耐受性是发动机使用较低辛烷值燃料的能力。 设计用于使用“常规”燃油（AKI = 87）的发动机的压缩比通常低于10：1。设计用于使用“高级”燃油（AKI = 91）的发动机的压缩比通常低于11：1。在最佳压缩比为15：1的情况下，通常需要使用108 Octane燃料来实现无爆震运行[1]。
由于水合乙醇AKI远高于100，但E25燃料仅为87，所以在不降低汽油醇性能和满足F.E.的情况下，要想获得最佳乙醇性能和燃油经济性，该发动机的最佳压缩比应为12.3:1。
使用发动机测功机稳态10点迷你图（见表1）的测量显示，当发动机压缩比从9.5：1增加到12.3：1，醇燃料燃油经济性提高了6.2％。与客车的火花点火（SI）发动机的8.0：1增加到10.0：1 [1]的典型压缩比设计相比，发动机压缩比（CR）增加的燃油经济性更加显著。较高的压缩比提高了发动机的热效率，使较低温度的废气减少了，从而保护排气组件。
迷你图里载荷较高的（例如5.5bar 平均有效压力[2]）情况下，汽油在12.3：1 CR时达到了临界火花，但主动爆震控制系统允许保持该情况，避免火花在非活动时敲击发动机，例如标准的9.5：1 CR发动机。
表1：
|
点 |
转速 |
平均有效压力 |
|
# |
rpm |
bar |
|
1 |
800 |
0.70 |
|
2 |
1500 |
1.00 |
|
3 |
1500 |
2.62 |
|
4 |
1500 |
5.00 |
|
5 |
2000 |
2.00 |
|
6 |
2000 |
5.00 |
|
7 |
2500 |
1.00 |
|
8 |
2500 |
2.62 |
|
9 |
2500 |
5.50 |
|
10 |
4000 |
5.50 |
提高压缩比的效果——除了燃油经济性，辛烷值容限和性能以外，压缩比还会影响其他几种发动机运行参数。 以下是对开发过程中观察到的现象并附有说明的清单：
1.燃油经济性：除非爆震受限，否则与热效率成正比。
2.辛烷耐受性：由于温度和压力增加而降低。
3.排气温度：由于部分节气门的热效率提高而降低。
4.NOX：由于峰值燃烧温度升高而小幅增加。
5. HC：由于较低的排气温度和较大的空隙体积效应，排气中氧化较少而增加。
6. CO2：与燃油经济效益成比例的增加。
7.峰值燃烧压力：由于压缩压力增加而增加，并取决于火花延迟量。
8.空闲燃烧稳定性：由于残余分数略有降低和压缩温度和压力增加而改善。
9.冷启动：由于温度和压力增加，HC / CO排放量的小幅改进。由于压缩压力增加，起动扭矩将增加。
10.机械振动：与气缸燃烧压力增加成比例的增加。
11.油耗：预计没有变化。
12.对冷却剂的热量排除：由于改进的燃烧热力学效率而降低。
新活塞和燃烧室设计——为达到12.3：1的CR，汽缸盖被削去1毫米，活塞的顶部接触体积增加。由于高度的均匀增加可能导致活塞与缸盖压缩区域发生碰撞，因此在进气/排气阀区域上放置一个铸造件，并且在火花塞区域放置一个缸状物体以避免活塞与火花塞的碰撞，并且允许大量的空气/燃料混合物靠近火花，以便快速开始燃烧（图1）。
图1 – 弹性发动机活塞的照片
其他的设计与普通发动机活塞保持相同，例如减小的压缩高度（活塞顶和连杆销之间的距离），低摩擦裙部涂层和第一凹槽区域处的硬阳极氧化涂层，其保护活塞免受由低质量燃料的影响或损害。
主动全量程爆震控制——使用E25燃料和12.3：1 的CR时，该项目面临的主要问题是爆震限制（限制性能和热力学效率）以及由于爆震150英里里程续航（福特发动机耐久性标准）而导致发动机部件损坏的风险。
与基准发动机相比，爆震控制还允许在满负荷曲线上的增加点火提前角，从而导致峰值扭矩和峰值功率的增加。用E25燃料提高产量的另一个方法是在高发动机转速下增加进气浓度，通过降低燃烧温度来降低爆震灵敏度并允许更大的点火提前角。与基准发动机相比，在部分负荷下可保持较高的效率。
由于点火提前与扭矩曲线非常陡峭，只有一个小的火花变化量将破坏性爆震的边界线分开。
因此，爆震控制必须非常可靠，以避免在任何条件下，发动机或环境影响（包括超出规格的燃料和传感器）使点火提前超过边界线，从而防止发动机损坏。另外开发了一系列可选程序来保证爆震控制牢固性和发动机完整性，例如：
- 传感器紧固扭矩灵敏性;
- 使用巴西规格燃料（91RON）进行爆震测试;
- 空燃比（AFR）控制和爆震传感器故障模式引擎映射;
- 适当的AFR以控制爆震强度;
- 错误地推断AFR模拟;
- 150k公里的车辆耐用性。
通过将爆震等级保持在发动机不发生机械损坏的水平，来证明爆震控制系统非常可靠。图2显示了每个气缸对爆震检测和发动机转速（实线）作出反应的火花提前示例。当爆震控制系统未发现发动机噪音达到一定水平，将火花提前推迟至安全限值的故障模式将会被启用。
图2—爆震控制系统
优化发动机进气和排气流量——为获得进气流量的优化，降低了进气温度并最大限度地减少了排气背压。 通过用靠近前格栅（图3）的通气管代替污浊的侧导管进气口，降低了进气温度，使冷空气进入发动机，而不是发动机舱内的空气进入。这种改变对于空气感应损失是显而易见的，但将平均进气温度提高了9ordm;C，从而降低了发动机爆震的灵敏度。
图3—靠近前格栅的通气管
采用带有单体底部催化剂的新型排气系统，减少了排气背压（EBP）。 采用不锈钢（图4）材料制作的新型消声器和排气管，它可降低EBP（减少2kPa），同时以抵御乙醇可能带来的腐蚀。
图4—排气系统
优化的燃烧室的冷却——由于1.6L RoCam发动机已经具有活塞冷却喷嘴，因此通过采用长水套缸体可以进一步降低爆震灵敏度。通过增加缸体湿壁高度30mm，改善了从活塞到冷却液的传热，从而减少了平均活塞温度。
图5—RoCam发动机长水套缸体
用电动温控阀管理冷却液——通过电动温控阀（又称e#39;stat），实现精准的发动机冷却液温度控制。该设备是基于机械恒温阀功能开发的，但其电阻安装在蜡质活塞销（被称为简单加热销）内部。系统直接作用于受热膨胀的蜡上（图6），大大减少了阀的开启时间，并通过由发动机控制模块单元（ECU）发布的电气指令启动阀门。
图6—电动温控阀
尽管发动机负荷/转速有变化（图7），e#39;stat系统仍可以对发动机冷却液进行精确的温度控制，从而降低高压缩比发动机上E25燃油的爆震灵敏度。
精确的冷却液温度控制还可以使发动机在更高的冷却液温度时运行，降低机油粘度，从而降低液体摩擦，提高燃油经济性（图8）。
另一方面，节气门全开（WOT）的性能优化可以通过较低的发动机冷却液温度实现，通过降低燃料爆震灵敏度和从端口表面进入空气的热量传递（较高容积效率）。
因此，考虑到上述所有限制条件，采用不同的冷却液设定温度作为燃料混合物和发动机负荷的函数。即当在E25上运行部分负荷时，冷却剂设定温度固定在97ordm;C，而在E93运行部分负荷时，这个温度增加到了105ordm;C。 在WOT情况时，汽油的冷却液温度设定为80ordm;C，乙醇设定为89ordm;C。
图7—耐久性循环测量的温度
但是，由于冷却系统的热惯性，这种优势将仅被用于发动机持续高负荷运转的条件下。
由于在更高的端口温度下运行，喷雾蒸发量增加，105ordm;C的电子恒温器设定在E93燃料HC排放方面也有着显著的改善（热引擎10pt 迷你图测试中为26％）。 由于电子控制系统允许启动的温度为105ordm;C而不是82ordm;C，发动机预热期间减少了通过散热器的时间，发动机预热阶段时间也减少了。
图9显示了在稳态发动机测功机上测得的油底壳温度，摩擦平均有效压力（FMEP）和特定燃油消耗（SFC）与冷却液温度的函数关系。
图8 — 2种不同发动机冷却液温度下的油底壳温度，FMEP和燃料消耗率times;发动机转速
材料适应E93燃料——根据以下标准，优化一些部件以满足E93燃料特性：
燃油轨和燃油压力调节器——燃油轨（图10）材料（PA 6.6）使用重新配制的添加剂，以改善其吸湿特性，因为E93燃油为水合乙醇燃料（7％水）。 此外，由于E93燃料的标称AFR较低，燃油压力（图09）的运行时间增加了30％（从2.7到3.5 bar），因此需要更高的燃油量。
图9—燃油压力调节器
图10—燃油轨
经修订的气门机构零部件 ——由于E93燃油的润滑性能低于E25燃油，因此阀座和阀门的材料必须更加坚固耐用，才能承受阀门/阀座界面的摩擦。
由于更高的CR下E25燃料的燃烧温度较高，进气门材料修改为X45CrSi93，进气门和排气门的表面通过使用“Stellite F”材料的镀层，以增加其硬度和耐久性（图11）。
图11 - 带镀层的进气和排气阀
采用新型合金CoMo12FS铬钼钒（AR16FS）对阀座环（图12）烧结材料进行了加固。
图12 - 进气和排气阀插入位
优化曲轴箱强制通风系统（PCV）——PCV系统通过把被新鲜空气稀释的混合气吹向燃烧室来帮助控制油蒸汽排放。该系
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