Hranic, ve Strojírenství

Úvod a Stručná Historie vznětových Motorů

od chvíle, Kdy Rudolf Diesel vynalezl spalovací motor, který by nakonec mohl nést jeho jméno, vznětový byl využit jako účinný a efektivní prostředek k zahájení spalování v motorech. Diesel používal rostlinné oleje k vynalézání svého nového motoru, protože v té době neexistovala ropná infrastruktura pro paliva. Vysoký kompresní poměr pro vytvoření tlaku a teploty potřebné pro automatické zapalování byl charakteristickým znakem vznětového motoru. Byl také nutný mechanismus pro přímé vstřikování paliva do spalovací komory. Postupem času byla k dispozici infrastruktura ropných destilátů pro paliva, jako je benzín (pro podporu zážehových motorů), petrolej a topný olej (vytápění domů) a samozřejmě motorová nafta (Heywood, 1988).

výhody použití komprese, vznícení a přímého vstřikování paliva do spalovací komory svědčí sebe v příštích několika desetiletích jeho vývoje. Vznětový motor ze své podstaty potřebuje vysoký kompresní poměr, aby vytvořil nezbytné podmínky pro automatické zapalování. Vysoký kompresní poměr je jednou z konstrukčních charakteristik pro zlepšení účinnosti. Kromě toho kompresní zapalování nepotřebovalo žádné škrcení pro řízení výkonu motoru. Přímé vstřikování paliva do spalovací komory za předpokladu, vysokou odolnost proti klepání, které omezuje kompresní poměr a nakonec, účinnosti zážehových motorů. Další výhodou je, že bez jakéhokoli omezení klepání mohou mít vznětové motory velkorysé zvýšení sacího tlaku turbodmychadlem, což dále zvyšuje účinnost a hustotu výkonu.

Podél cesty, mnohé technologické překážky se vyskytly a překonat – jako je schopnost vyrobit písty a hlavy válců, které by spolehlivě dosáhnout na vysoké poměry komprese potřebné pro diesel auto-zapalování, prechambers, který by mohl využít relativně nízkého tlaku vstřikovače k dispozici do high-kompresní poměr plný spalovací komory, nové vstřikovací technologie s velmi vysokým tlakem paliva eliminovat potřebu prechambers a umožňují přímé vstřikování do spalovací komory, a konečně, elektronické ovládání a pohony poskytnout mnohem více přesné kontroly paliv, vzduchu a emisí, které splňují přísné požadavky regulace emisí.

Aktuální Stav vznětové Motory

vznětové motory se používají v řadě komerčních a spotřebitelských aplikacích po celém světě, napájení zařízení, jako jsou velké lodě, lokomotivy, užitková nákladní automobily, stavební a zemědělské stroje a zařízení, elektrické generátory, a dokonce i automobily. Téměř výhradně tyto aplikace využívají motorovou naftu ke spalování. Dieselový motor se spoléhá na snadnost automatického zapálení paliva, inženýři chemických vlastností nazývají cetanové číslo / index-empiricky odvozenou metriku, která popisuje snadnost automatického zapálení paliva. Bionafty se také používají v mnoha aplikacích, zejména ve venkovských oblastech a v rozvojových zemích. Druhy bionafty jsou obvykle vyrobené z rostlinných olejů, které byly chemicky zpracované odstranit glycerin produkty, takže methylesterů mastných kyselin (nebo ethyl) methylester (FAME). Bionaftou se snaží napodobit vlastnosti motorové nafty, a zatímco oni mohou být použity jako elegantní paliva nahradit, oni jsou obecně používány jako míchání agent s ropná nafta.

existují dva primární přístupy ke vznětovému motoru-dvoutaktní a čtyřtaktní Architektura. Velmi velké motory CI (zejména loď a lokomotiva)mají tendenci být dvoutaktní, především proto, že otáčky motoru jsou omezeny na nízké otáčky za minutu (ot / min). Dvoudobé VZNĚTOVÉ motory musí mít externí zdroj vzduchu, jako je například turbodmychadlo nebo kompresor (nebo hybrid obou v některých případech), protože vzduch je nucen do válce přes přístavy ve válci vložky. Obrázek 1 ukazuje tuto konfiguraci. Výfuk je buď vytlačován přes jinou sadu portů (verze zapálená jiskrou) nebo přes ventily v hlavě válce (viz Obrázek 1). Otvory nasávaného vzduchu ve vložce válce se otevřou, když píst spadne pod ně v silovém zdvihu, umožňující tlakový, chladný vzduch do válce. Jako píst hlavy směrem BDC v power stroke, výfukové ventily v hlavě válců begin otevřít a horké výfukové začne odcházet válec přes horní montáž výfukové ventily. Jako píst pokračuje směrem BDC, sacích kanálů ve válci vložky otevřít, což umožňuje čerstvý vzduch do válce, který nutí poslední výfuk z top výfukové ventily. Tento proces úklidu pokračuje, dokud se výfukové ventily nezavřou (někdy kolem polohy pístu v BDC). Příjem porty jsou stále otevřené, takže čerstvý vzduch pokračuje do válce z ventilátoru, dokud píst prochází horní části sací porty na vložky, odchyt vzduchu ve válci. Poté se tento vzduch zahřívá a natlakuje, dokud není píst blízko TDC. Vstřikovač paliva vytváří vysokotlaký sprej do horkého stlačeného vzduchu, což způsobuje automatické zapálení a spalování. Cyklus pak začíná znovu.

Na druhou stranu, čtyřtaktní vznětový motor pracuje tím, že přivádění vzduchu ze sacího potrubí do válce během sacího zdvihu, HÚ do DÚ (viz Obrázek 2), pak sací ventily zavřít a píst pak se pohybuje směrem k horní úvrati, zatímco kompresi vzduchu, zvýšené teploty a tlaku. Vstřikovač rozprašuje palivo do spalovací komory, dochází k zapálení a píst je tlačen dolů při vysokém tlaku v důsledku spalování v tzv. Nakonec se výfukové ventily otevřou a píst se vrátí do TDC a vytlačuje produkty spalování výfukových plynů ve výfukovém zdvihu. Cyklus se odtud opakuje.

bez ohledu na to, zda je motor dvoutaktní nebo čtyřtaktní, je záměrem vytvořit vysokotlaký a vysokoteplotní vzduch blízko konce kompresní části cyklu. Vstřikované palivo je pak vystaveno vysokotlakému a vysokoteplotnímu vzduchu a velmi rychle se automaticky vznítí. Zpoždění mezi vstřikováním paliva a automatickým zapalováním se nazývá zpoždění zapalování, což je obvykle několik úhlů kliky. Palivo i nadále být aplikován jako letadlo, které má reakční zóně na okraji jet a reakce je řízena difuzí vzduchu do reakční zóny spolu s difuze paliva směrem do reakční zóny. Tento difúzní proces probíhá v milisekundách, zatímco skutečné reakce se vyskytují na mikrosekundu lhůtě, takže mechanika tekutin difúze se řídí rychlost reakce.

bylo vynaloženo značné výzkumné úsilí na studium cest ke zlepšení účinnosti, podpisu emisí,spolehlivosti a výkonu motorů CI. Výrobní společnosti, univerzity a výzkumné laboratoře zapůjčily své odborné znalosti, vybavení a zařízení k rozvoji technologie motorů CI. Některé z těchto vylepšení patří přímé vstřikování (DI) eliminovat potřebu prechambers a snížit přenos tepla, optická diagnostika pro studium tvorby znečišťujících látek v-válec, pokročilé výpočetní možnosti simulace předvídat a optimalizovat CI výkon motoru, značné úsilí, aby pochopili, paliva, chemie a složení na míru CI chod motoru, aby místně dostupných paliv. Jako inženýři a vědci nadále používat své odborné znalosti, aby základní studium CI technologie motoru, tam je málo pochyb o tom, že další pokrok bude dosaženo.

jak se liší Motor CI od motoru SI?

existuje několik důvodů, proč jsou motory CI tak populární v komerčních a průmyslových aplikacích. Jedním z důležitých důvodů je inherentní palivová účinnost motorů CI je vyšší než u motorů SI. Povaha kompresního zapalování poskytuje několik důležitých faktorů, které umožňují vysokou účinnost paliva. Jedním z faktorů je vysoký kompresní poměr (Gill et al ., 1954). Vzhledem k tomu, že motory CI spoléhají na vstřikování paliva do válce a míchání tohoto paliva se vzduchem, je zabráněno klepání motoru. Klepání motoru je jedním z hlavních omezení vyššího kompresního poměru v motorech SI. Druhým faktorem je eliminovaná potřeba škrcení motoru pro řízení výkonu. Znovu, protože palivo je přímo vstřikované a smísí ve spalovací komoře, CI výkon motoru může být řízen pouze změnou množství paliva, které se vstřikuje, na rozdíl od ZÁŽEHOVÉ motory, kde palivo a vzduch jsou namíchané a v podstatě homogenní konstantní poměr směsi (Heisler, 1999). To znamená, že pro udržení konstantního poměru směsi, pokud je palivo sníženo, musí být vzduch také snížen ve stejném poměru. Toto řízení vzduchu se provádí pomocí škrticí klapky nebo omezení sání a vytváří významné ztráty výměny plynu nebo „čerpání“. Třetím faktorem je přenos tepla. Motory CI jsou schopny provozovat „palivo štíhlé“, což znamená, že motor spotřebovává veškeré palivo, ale ne veškerý kyslík přítomný ve spalovací komoře. To má tendenci produkovat nižší teploty ve válci a v důsledku toho nižší odvod tepla do chladicí kapaliny motoru a výfukových plynů motoru a vyšší účinnost. Jako další výhoda, gamma, nebo poměr specifických ohřívá Cp/Cv je vyšší pro lean burn motory než u motorů, které pracují při stechiometrii. Méně tepelné energie generované spalovacími reakce je ztracen v excitace státy větší triatomic druhů (CO2 a H2O pára). To znamená, že je k dispozici více tepelné energie pro zvýšení tlaku a teploty pracovní tekutiny,což vytváří práci, kterou lze extrahovat (Foster, 2013).

existuje však také několik nevýhod motoru CI, které si zaslouží zmínku. Motor CI musí být zkonstruován tak, aby byl velmi robustní, aby zvládl zvýšené tlaky a teploty vytvořené vysokými kompresními poměry a zvýšenými sacími tlaky. To vytváří konstrukce motoru, které mají vysokou Rotační setrvačnost a následně omezují maximální otáčky motoru. Zvyšuje také náklady, protože veškerý hardware musí být velmi odolný. Další nevýhodou motorů CI je emisní podpis. Spoléhání na šíření řízené spalování znamená, že existuje významný stratifikace mezi paliva a vzduchu, na rozdíl od homogenity benzín/vzduch směsí v zážehových motorů. Tato stratifikace vytváří částice (PM) a oxidy dusíku (NOx). Bylo zjištěno, že tyto nežádoucí produkty spalování CI představují zdravotní riziko a jsou škodlivé pro životní prostředí. Tradiční motor CI v podstatě nemá problém s účinností, má problém s emisemi.

a co biopaliva?

Mnoho současných a předvídatelných práce v VZNĚTOVÉ motory zdá se zaměřením na využívání alternativních paliv nebo i více druhů paliv, ve snaze udržet vysokou účinnost (možná i vylepšit), ale výrazně snížit škodlivé emise, podpis a emisí skleníkových plynu. Biopaliva jsou jedním z populárních přístupů, zejména v rozvojových ekonomikách, čelit výzvě skleníkových plynů a nákladům na dovoz ropy. Biopaliva se obvykle vyrábějí z nějakého druhu rostlinného oleje a chemicky zpracovávají za účelem vytvoření produktu, který napodobuje ropnou naftu mnoha způsoby. Tímto způsobem bylo využito několik vstupních surovin, v závislosti na místních podmínkách pěstování a plodinách, kterým se za těchto podmínek daří. Sójové boby, řepka, palmové semeno, jatropha a Karanja oleje byly zpracovány jako paliva. Obecně se biopaliva tohoto typu dělí na kategorie, oleje získané z jedlých rostlin a oleje získané z nejedlých rostlin. Chemicky, palivo získané z jedlých rostlin je jednodušší a nižší náklady na zpracování na paliva. To však může v místní ekonomice také vytvořit výzvu „jídlo nebo palivo“. Nejedlá rostlinná biopaliva jsou obtížnější a nákladnější na zpracování, ale mají tendenci se vyhýbat obtížím „potraviny nebo palivo“. Jednou z výzev pro tradiční bionaftu je to, že samotné palivo obsahuje kyslík jako součást své struktury. Toto okysličené palivo bude mít výrazně snížený energetický obsah ve srovnání s ropnou naftou. Snížení energetického obsahu je obecně řádově 7-8% objemových ve srovnání s ropnou naftou. To vede k většímu objemu paliva spotřebovaného na stejné množství dodané energie. Novější práce byla provedena s ohledem na řasy odvozené nebo řas paliva, které nabízejí potenciál pro mnohem větší výnos než tradiční biopaliva (Frashure et al ., 2009). Další nedávný výzkum tématu je vytvoření „obnovitelné zdroje“ nafta z hydrotermální nebo jiné zpracování biomasy materiál extrahovat dlouhé řetězce uhlovodíků podobné ropné motorové nafty (Aatola et al., 2008). Obnovitelná nafta nemá tendenci být okysličována, takže energetický obsah má tendenci být stejný jako u ropné nafty. Ještě jiný přístup k vytváření nafty jak z obnovitelných a neobnovitelných zdrojů využívá tzv. proces Fischer–Tropsch (FT), tzv. po německém vynálezci tohoto procesu v roce 1930. FT paliva jsou odvozeny od methanu, zplyňování uhlí, nebo zplyňování biomasy vytvořit dlouhé řetězce uhlovodíků vhodné pro použití jako palivo. Pro tento typ paliva se používá několik zkratek, v závislosti na vstupní surovině. Gas-to-liquid (GTL), coal-to-liquid (CTL) a biomasa-to-liquid (BTL) jsou některé z těchto zkratek. FT proces vytváří poměrně kvalitní naftu – vysoké cetanové klientů, pro nízké viskozity, žádná síra, a vysoce-energetický obsah – ale tento proces je také složité a drahé, alespoň v současné době (Agarwal, 2004).

co je nejmodernější pro motory CI?

motory CI jsou celosvětově využívány jako zdroje hnací a stacionární energie. Jako rozvíjející se ekonomiky jako Indie a Čína rozjet jejich poptávka po dopravě a elektrické energie ke splnění ekonomické poptávky, existují závažné otázky týkající se budoucnosti VZNĚTOVÉ motory v tvář stále přísnější regulace v oblasti životního prostředí, emise skleníkových plynů nařízení, a poptávka po fosilních paliv. Existují strategie, které umožní motoru CI vyvíjet se tak, aby splňoval tyto současné i budoucí požadavky trhu?

Pomocí tradiční motorové nafty, inženýři provedli několik zajímavých pokroky v zlepšení účinnosti a snížení emisí využitím pokročilých technologií vstřikováním, jako common rail vysokotlakých čerpadel, piezo-ovládané vstřikovače paliva, pokročilé turbomachinery a využití odpadního tepla (thermoelectrics, atd.) a téměř eliminace síry v motorové naftě. Palivo může být nyní mnohem přesněji dávkuje do spalovací komory vytvořit spalovací události, které jsou hladší a méně znečišťující. Použití recirkulace výfukových plynů (EGR) má dovoleno inženýři ke snížení koncentrace kyslíku v nasávaném vzduchu, které poskytují nižší maximální teploty spalování s významným snížení NOx. Pokroky ve následného zpracování výfukových plynů, jako jsou filtry pevných částic (DPF), deNOx katalyzátory (oba selektivní katalytické redukce a štíhlé past), a oxidační katalyzátory (DOC), jsou v současné době využívány v moderních VZNĚTOVÝCH motorů.

probíhající pokročilé spalovací práce přinesly vzrušující příležitosti ke zlepšení účinnosti motoru CI a významnému zlepšení podpisu emisí. Jak výzkum postupuje, bylo prokázáno, že zlepšení některých premixing paliva a vzduchu, při zachování schopnost kontrolovat výkon dodávka paliva (bez škrcení) a zachovat vysoký kompresní poměr, je to možné. Existuje celá řada strategií, které byly použity k dosažení těchto cílů. Jedním z nich je Použití duálního paliva, populárně známého jako reaktivita řízené kompresní zapalování (RCCI). V RCCI, nízkou reaktivitu paliva (např. benzín, etanol, nebo podobné) je vstřikován do spalovací komory jako primární zdroj energie a velmi malé množství vysokou reaktivitu paliva (např. motorové nafty, bionafty atd.). To umožňuje nejen pro schopnost běžet motor štíhlé, což snižuje vrcholu spalovací teploty a zlepšuje účinnost, ale také poskytuje pozitivní zapalování strategie, aby se zabránilo vynechává a udržet vysokou robustnost. RCCI ve výzkumných motorech prokázala možnost dosáhnout velmi vysoké úrovně účinnosti (především díky ještě nižšímu přenosu tepla než tradiční spalování nafty) a robustnosti řízení. Primární nevýhodou RCCI je požadavek dvou vstřikovačů na válec (jeden pro každý typ paliva) a požadavek, aby buď nést dvě samostatné paliv nebo nosit reaktivita zvýšení aditivní za nízkou reaktivitu paliva (Curran et al., 2013).

další vzrušující příležitostí ve světě motorů CI je použití paliva s poměrně nízkou reaktivitou (benzín, nafta atd.) ve srovnání s naftou, ale stále používat vznětové architektury motoru a využít dlouhé zapalování zpoždění těchto paliv k poskytování určité úrovně premixing při zachování dost stratifikace poskytnout load control (Kalghatgi et al., 2007). Benzínový vznětový (GCI) nebo částečně namíchané vznětové (PPCI) pokus o dosažení stejného cíle jako RCCIs použití duálního paliva, ale k tomu stratifikace jedním paliva v přesným způsobem. Toto řízení zapalování může být docela náročné v porovnání s RCCI, protože to závisí na neustále se měnící místní paliva/vzduchu směšovací charakteristiky, spíše než pozitivně přidání vysoké reaktivity paliva v určitém čase. Výhodou je, že je zapotřebí pouze jedno palivo a jeden vstřikovač na válec.

V každém z případů pro RCCI a PPCI, záměrem je umožnit dostatek premixing dojít pro PM úrovně nízké a provozovat spalovací štíhlé nebo zředěné dost na udržení špičkové spalovací teploty pod 2000K, aby se zabránilo tepelné produkce NOx. Robustnost těchto nových přístupů ke spalování a vznícení je výzvou, ke které přistupuje několik výzkumných organizací po celém světě (Johansson et al ., 2014; Sellnau et al., 2014).

co má budoucnost pro motory CI?

přinejmenším od roku 2015 mají motory CI dominantní postavení na trhu užitkových vozidel a terénních vozidel. Vzhledem k tomu, že na emise skleníkových plynů a kvalitu ovzduší je celosvětově vyvíjen větší regulační tlak, motory CI se budou i nadále vyvíjet, aby tyto tlaky splňovaly. Kombinace vysoké energetické hustoty kapalných paliv spolu s vysokou hustotou výkonu VZNĚTOVÝCH motorů a velmi nízké náklady na výrobu, bude i nadále, aby VZNĚTOVÉ motory populární řešení pro motiv a stacionární výrobu energie. V této oblasti probíhá vzrušující výzkum s cílem zlepšit účinnost, snížit emise, zlepšit technologii následného zpracování emisí a bylo dosaženo obrovského pokroku. Ještě více je třeba dosáhnout pokroku, nicméně, stejně jako světové populace hlavy kolem 7 miliard lidí a poptávka po energii v rozvojových zemích vyletí. Jak jsme vyřešit dopravu a síla výzev v příštích několika desetiletích bude udávat tón pro naše schopnosti společnosti udržet obě obyvatelné prostředí a životní standard, který je přijatelný pro stále rostoucí počet obyvatel na celém světě.

Prohlášení o střetu zájmů

autor prohlašuje, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.

Poděkování

předložený rukopis byl vytvořen UChicago Argonne, LLC, Provozovatel Argonne National Laboratory („Argonne“). Argonne, americké ministerstvo energetiky Office of Science laboratory, je provozováno na základě smlouvy č. DE-AC02-06CH11357. AMERICKÁ Vláda ponechává pro sebe, a jiní jednající jeho jménem, zaplacený nevýhradní, neodvolatelné, celosvětové právo v článku reprodukovat, připravovat odvozená díla, distribuovat kopie veřejnosti, a provádět veřejně a zobrazení veřejně, nebo jménem Vlády. To nemá vliv na práva ostatních, aby znovu-publikovat a re-distribuovat pod CC-BY podmínky (www.creativecommons.org). Autor by rád ocenil finanční podporu Ministerstva Energetiky Kanceláře, Vozidla, Technologií, moderní motory Spalovací Program, který spravuje Pan Gurpreet Singh.