發動機的新趨勢

曹曉昂

通過減少對化石燃油的依賴，從而減少交通中二氧化碳的排放這個全球性大趨勢推動了替代性燃油使用數量的不斷增長，這包括生物柴油，以及含有酒精的燃油等。此外，在克服對進口石油的依賴性方面，世界各地區所采取的策略各異，因此先進的、全球性的汽車廠家必須為應對未來不同質量的燃油做好自己充足的準備。

為應對燃油差異，跨國汽車零部件供應商大陸集團組織建立了一個名為IQ FUEL（智能燃油）的聯合體以便開發一種高度集成的、小型化的傳感器系統，用于識別油箱中當前的燃油成分。這種新型的燃油質量傳感器（Fuel Quality Sensor）可實現優化油箱中燃油實際質量的發動機控制策略。此外，這種智能傳感器還能夠識別出燃油中的內含成分，例如硫、水分和其它雜質。這樣就可以防止發動機部件和廢氣處理部件的工作原理和排放受到可能的影響。

優化發動機控制的新設想

“發動機控制與當前不斷增長的燃油質量的多樣化有關。由此將造成影響燃燒和排放的燃油性能發生波動，其后果是，我們必須測量我們噴入燃燒室的燃油。如果我們不測量，就不會識別出這種波動，它們既可能降低發動機的效率，也可能產生不必要的高排放。這種新型智能型燃油質量傳感器可以實現優化油箱中燃油實際質量的發動機控制策略。從而可以以最少的燃油消耗產生最大的發動機動力”，大陸集團傳感器和執行器業務單元負責人表示。

這種新型傳感器應用了MOEMS（微光機電傳感器）組件嵌入式技術解決方案，借助測量光譜在紅外線范圍內的光傳播來確定燃油的成分。這種光學測量法可以用來確定許多燃油特征，其中包括密度、燃燒值、十六烷值和辛烷值、硫含量、粘度等。只利用一個傳感器硬件便可滿足柴油發動機和汽油發動機的應用。使用嵌入式化學計量學模型可以有效分析傳感器值，模型在各個特殊燃油特征的基礎上預測出燃油成分的比例。在安裝上微傳感器系統后，它就可以監督燃油的組分并將數據提供給發動機管理系統。為發動機管理系統EMS新開發的軟件模塊可以對例如噴射（噴射時間點和噴射量）等中央控制參數進行相應的調整。

無論各個汽車制造商的要求如何，這種智能燃油傳感器都可以升級為自適應發動機控制。通過將傳感器模塊集成到汽車中以及擴展發動機控制軟件可以補償燃油質量的波動，優化發動機的運行，這不僅可以保護汽車的廢氣處理等分系統，而且還可以保護發動機本身。因此，盡管不可預測的燃油成分的可能性在不斷地增加，這種燃油質量傳感器仍有助于保證發動機的穩定運行。

多年以來，大陸集團不斷提供燃油傳感器技術方面的解決方案并利用這種經驗（即利用靈活燃油傳感器和直接氣缸壓力測量）來整合這種新型燃油質量傳感器，并將這種系統廣泛的能力轉變成發動機控制方面的具體優勢。

更高性能的柴油發動機

目前，各個頂級汽車制造商都在開發更高性能的柴油發動機，以提高動力性能、減少二氧化碳排放和提高燃油經濟性，但高于 90kW/l的升功率輸出給活塞設計帶來了巨大挑戰。

輝門公司新近開發出了能夠滿足高性能柴油發動機使用要求的高強度、高耐熱性能的鋁活塞。BMW 率先在其3.0 升并配置了三個渦輪增壓器的柴油發動機(N57D30S1)中使用了此活塞，該發動機的升功率達到了93kW/l，是世界上動力最強的輕型柴油發動機。

輝門動力總成部技術和創新副總裁表示，“提高升功率輸出產生了更高的機械負荷和溫度，這讓活塞的散熱性與其強度變得同等重要。我們的鋁活塞可以在比以前更高的熱力和機械負荷工況下有效運行，而不會有鋼活塞存在的發動機油裂解和積碳形成的危險。輝門利用自身的工藝和材料專業知識生產出具有較高耐久和熱力學性能的鋁活塞，從而滿足高性能柴油發動機的需要。這些改進意味著鋁活塞在未來一段時期內將繼續保持在輕型柴油發動機領域的領先地位。”

鋁活塞的生產及研發

據了解，針對鋁活塞的生產，輝門公司開發出了創新的DurabowlR工藝，這使得發動機燃燒室喉口邊緣得到強化，從而可以承受更高的機械負荷和熱負荷。提高位置的內冷油道設計則改善了活塞的熱力學性能，而輝門研發的兩維 (2D) 超聲波檢測工藝對于該技術的實現不可或缺。輝門的 DuraBowlR工藝通過再次熔化活塞燃燒室喉口周圍的合金，使得鋁合金的金相組織更加細化從而提高材料的疲勞強度。為確保對關鍵參數的控制，每個燃燒室都使用輝門公司專有的電渦流工藝來檢測金屬表面下的缺陷。提高位置的內冷油道技術使冷卻機油達到盡可能靠近活塞燃燒室的地方，以獲得最大的冷卻效果。輝門活塞產品設計總工程師表示：“冷卻液的作用使得活塞更耐久并減少了內部摩擦。該技術對于幫助主機廠開發更高效、更加緊湊型柴油發動機，從而改善燃油經濟性和二氧化碳排放起著重要作用。”

要將內冷油道布置在距離活塞喉口和燃燒室距離較近的地方，需要大幅提高鑄造工藝的精度和可靠性。輝門已經研發了一項新的 2D 超聲波檢測技術，這使得該公司對鑄造工藝有了更深入的了解并實現了對質量更加嚴格的控制。標準的一維超聲波檢測技術可以檢測出缺陷但不能量化其尺寸和位置。輝門的 2D 超聲波工藝在 30 秒內即可以提供12萬5千個數據點。使用該技術，輝門工程師可以準確判斷缺陷的尺寸和位置，為優化鑄造工藝提供寶貴數據。這些非破壞性測試得出的詳細數據還保證了高精度產品成品零件的質量一致性。通過剖析幾百個活塞，比對超聲波檢測圖像與破壞性測試方法，所獲得的結果可以有效驗證該技術。經過大量的實驗研究，輝門還成功開發了相關應用軟件并確定了許多關鍵實際參數（如探頭尺寸、波長、光束幾何和焦距）。