专访 现代汽车北美动力总成总监 John Juriga:致力优化内燃发动机和燃料

原标题:专访 现代汽车北美动力总成总监 John Juriga:致力优化内燃发动机和燃料

SAE International

作者:Lindsay Brooke

来源:SAE《汽车工程》杂志

现代汽车借助一项由由美国能源部赞助的合作计划,与MTU 和 Phillips 66 共同合作 夯实公司在精益燃烧方面的基础。

by Lindsay Brooke

准备启动测试:Phil Zoldak(左)和 John Juriga 正在对一款稀燃发动机进行测试前的最终检查。

一提到未来推进系统,你脑海中首先想到了什么?先进燃气发动机、柴油内燃机?还是混合动力系统、纯电动系统?又或是氢燃料电池?事实上,只要是你说的上来,韩国汽车巨头现代公司(Hyundai)都有相应研发项目,这种应有尽有、全面开花的架势也赢得了众多竞争对手的认可和尊重。

“我们很荣幸能有机会尝试各种动力系统,”现代汽车北美动力总成总监 John Juriga 表示。Juriga 已经在现代汽车位于安阿伯市的技术中心工作 16 年了,他说,“推进系统有时能将我们逼疯,有时却又带给我们非同寻常的快乐,因为我们有机会同时尝试几乎所有可能的推进技术。”

Juriga 表示,内燃发动机仍有“优化的余地”,我们有一些关键技术可以优化内燃机的热力学、形状体积和机械效率等。“现在,摆在我们面前的挑战是如何更好地整合这些技术从而实现我们的优化目标。如今,各地的排放要求真的越来越难实现,之前只要求常规的 NOx 排放物,如今还有 N2O 和颗粒物浓度要求。可以说,正是这些规定驱动我们不断优化发动机和推进系统架构。此外,EPA 现在也要测量“驾驶循环外排放”(Off-cycle emission),这无疑会让我们的工作量翻倍,但同时也是非常激动人心的挑战。”

美国的排放监管环境近期可能不会较大改动,但现代汽车仍坚定不移地执行自己的动力总成研发计划:密切关注华盛顿条款的有效期限、加里福尼亚州的 ZEV(零排放车辆)要求,以及与萨克拉门托车辆排放政策配合的第 177 条款。Juriga 断言,“哪怕联邦政府放松监管要求,我们的技术路线图也不会改变。”

GDCI 学习

汽油内燃发动机“仍将是未来几十年中的主力选手,但将同时具备很高的电气化水平。”Juriga称,“目前,没有任何燃料的功率密度比得过汽油。这种老牌动力源具有庞大的群众基础、成本低廉且效率很高,因此不会轻易退出历史舞台。在此背景下,我们也集中精力进一步提高汽油发动机的效率,并致力于电气化和燃烧技术这两个关键领域的发展。”

Juriga 的团队属于韩国现代公司,但同时也与美国能源部、多家顶尖大学和供应商,及北美市场中的大量排放验证与认证机构有直接合作。

现代动力总成发动机开发测试经理 Phil Zoldak 也参加了我们与 Juriga 和 Lee 的会面。他表示,“我们的先进燃烧发动机研发主要着力于两个领域,第一是继续优化传统增压火花点火发动机,第二是探索稀薄燃烧发动机。其中,稀薄燃烧发动机有两个方向,分别为火花点火(借助 EGR 尾气再循环和先进点火系统)和稀燃压缩点火。

“我们更关注探索稀燃发动机,重点方向是先进的点火、增压和控制系统,在我们看来,这是解锁更高燃料效率的关键。”Zoldak 表示,“我们在选择并优化合适的硬件时大量采用了计算流体力学 CFD 工具。”

美国能源部在 2011 年至 2018年间赞助了一项名为 GDCI 的项目,专注于压缩点火汽油发动机,参与成员包括现代汽车、德尔福(Delphi)和威斯康星发动机研究咨询所(Wisconsin EngineResearch Consultants)。Juriga 表示,我们从该项目中学到了很多,但也同时面临两个陷阱。“首先,我们必须使用额外的硬件,也就是涡轮增压器(turbocharger)和机械增压器(supercharger),这毫无疑问会增加系统的复杂度和成本。其次,GDCI 发动机没有火花点火模式,完全只能靠压缩点火,因此无法使用冷启动等一系列功能,这可能过于激进了。”

尽管如今的推进系统解决方案越来越复杂,但作为一名将发动机研发融入血液的动力系统“老兵”,John Juriga 仍深深被这个领域所吸引。

“我们的目标是使用低成本硬件组件,打造一款可以根据负载无缝切换使用火花点火和压缩点火系统的发动机。

混合模式控制器

紧随 GDCI 项目结束后开展的是Co-Optima 项目(2019 年 1 月至 2021 年),即“可以满足未来排放标准的协同优化燃料和多模式汽油压缩点火发动机”项目。该项目由美国能源部的“车辆技术办公室”资助,旨在打造更加高效的发动机和燃料搭配组合。目前,全美共有九个美国国家实验室参与了这个项目。现代北美公司、密歇根理工大学(MTU 模拟)和 Phillips 66(燃料开发)也参与了合作。目前,项目的试验台正是一款现代 2.2 升柴油发动机。Juriga 指出,“最终,我们可能研发出一款拥有独一无二气缸头的燃气发动机。”

“我们希望通过该项目实现高级别的整合,并最终在尽量使用现成硬件的基础上实现量产,”Zoldak 解释道,“这款发动机将能够以火花点火(SI)模式启动,化学计量或稀燃模式运行,并借助内部 EGR 系统转换至低温燃烧模式,然后使用外部 EGR 系统再次转换为压缩点火模式。因此,随着负载的不断增加,你可以选择三种过渡模式。

Juriga 指出,“不难想象,这种复杂的模式切换并不容易,燃料的辛烷值也会产生影响。” Phillips 66 公司提供一系列不同辛烷值和反应性的燃料。然后,我们会在项目中对这些燃料进行建模。Zoldak 表示,“我们正在使用密歇根科技大学开发的真实燃料建模技术。”

Co-Optima 项目旨在首先通过结合合适的模拟和硬件以实现稳态性能,然后解决几乎每台稀燃发动机都需要面对的挑战,即优化驾驶体验。

“我们正在构建一个可以在定点或动态过程中捕捉所有模式的发动机,”Zoldak 解释说。“这个项目的重点不在瞬态测试,但也不是说一点瞬态测试也不会有。比如,使用混合模式控制器处理不同区域,然后针对每个区域进行校准优化,并使用算法在不同模式间切换。”

模式切换的实现关键在于开发团队对系统动态的理解和掌握,即如何协调利用不同模式的工作速度,以及如何进行调整使发动机能够根据命令迅速开始工作,而非只关注喷射器、EGR 阀和涡轮增压水平等硬件规格。Juriga 指出,“我们想看看,我们到底能稀薄到什么程度以及需要哪些燃料和空气系统。”此外,本项目的副线之一是研究新的点火系统与技术。

“我们将在开发过程中改进压燃式汽油发动机的特性,以减少汽缸排放,”Juriga 指出,“燃气和柴油技术的融合是我们多年来一直关注的问题。”

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