Frontiers in Mechanical Engineering

introduktion og kort historie med Kompressionstændingsmotorer

lige siden Rudolf Diesel opfandt den forbrændingsmotor, der til sidst ville bære hans navn, er kompressionstænding blevet brugt som et effektivt og effektivt middel til at starte forbrænding i motorer. Diesel brugte vegetabilske olier til at opfinde sin nye motor, da der ikke var nogen petroleumsinfrastruktur til brændstoffer på det tidspunkt. Højt kompressionsforhold for at skabe det tryk og den temperatur, der kræves til automatisk tænding, var et kendetegn for kompressionstændingsmotoren. En mekanisme til direkte indsprøjtning af brændstof i forbrændingskammeret var også påkrævet. Efterhånden som tiden skred frem, blev en infrastruktur af petroleumsdestillater tilgængelig for brændstoffer som f.eks bensin (til støtte for gnisttændingsmotorer), petroleum og brændselsolie (opvarmning af boliger) og selvfølgelig dieselolie (Heyved, 1988).

fordelene ved at bruge kompressionstænding og direkte indsprøjtning af brændstof i forbrændingskammeret viste sig i løbet af de næste par årtier af dens udvikling. Kompressionstændingsmotoren har i sig selv brug for et højt kompressionsforhold for at skabe de nødvendige betingelser for automatisk tænding. Højt kompressionsforhold er en designkarakteristik for at forbedre effektiviteten. Derudover behøvede kompressionstændingen ingen gasregulering for at kontrollere motorens effekt. Direkte indsprøjtning af brændstoffet i forbrændingskammeret gav høj modstandsdygtighed over for banke, hvilket begrænser kompressionsforholdet og i sidste ende effektiviteten af gnisttændingsmotorer. En yderligere fordel er, at kompressionstændingsmotorer uden nogen knock-begrænsning kan have generøs indsugningstrykforøgelse ved turboladning, hvilket yderligere øger effektiviteten og effekttætheden.

undervejs blev mange teknologiske forhindringer stødt på og overvundet – såsom evnen til at fremstille stempler og cylinderhoveder, der robust kunne opnå de høje kompressionsforhold, der var nødvendige for diesel Auto-tænding, forkamre, der kunne udnytte de relativt lavtryksinjektorer, der var tilgængelige i det fulde forbrændingskammer med højt kompressionsforhold, ny brændstofindsprøjtningsteknologi med meget højt trykbrændstof for at eliminere behovet for forkamre og tillade direkte injektion i forbrændingskammeret, og endelig elektroniske kontroller og aktuatorer for at give meget mere præcis brændstof -, luft-og emissionskontrol for at imødekomme de strenge krav til emissionsregulering.

nuværende tilstand af motorer med kompressionstænding

motorer med kompressionstænding bruges i en række kommercielle og forbrugerapplikationer rundt om i verden, der driver enheder som store skibe, lokomotiver, kommercielle lastbiler, bygge-og landbrugsudstyr, kraftgeneratorer og endda biler. Næsten udelukkende bruger disse applikationer dieselbrændstof til forbrænding. En dieselmotor er afhængig af den lette Auto-antændelse af brændstoffet, en kemisk egenskab ingeniører kalder cetan nummer / indeks – En empirisk afledt metrisk, der beskriver den lette auto-antændelse af brændstoffet. Biodiesel bruges også i mange applikationer, især i landdistrikter og i udviklingslande. Biodiesel fremstilles generelt af vegetabilske olier, der er kemisk behandlet for at fjerne glycerinprodukter, hvilket efterlader en fedtsyremethylester (eller ethyl). Biodiesel forsøger at efterligne dieselbrændstofets egenskaber, og selvom de kan bruges som en pæn brændstoferstatning, bruges de generelt som blandingsmiddel med petroleumsdiesel.

der er to primære tilgange til kompressionstændingsmotoren – totakts-og firetaktsarkitekturen. Meget store ci-motorer (især skib og lokomotiv) har tendens til at være totakts, primært fordi motorhastigheden er begrænset til lave omdrejninger pr. To-takts ci-motorer skal have en ekstern lufttilførselskilde, såsom en turbolader eller supercharger (eller en hybrid af begge i nogle tilfælde), fordi luften tvinges ind i cylinderen via porte i cylinderforingen. Figur 1 viser denne konfiguration. Udstødningen udstødes enten gennem et andet sæt porte (gnistantændt version) eller gennem klappeventiler i cylinderhovedet (se figur 1). Indsugningsluftportene i cylinderforingen åbnes, når stemplet falder under dem i kraftslaget, hvilket tillader tryk, kølig luft ind i cylinderen. Når stempelhovederne mod BDC i kraftslaget begynder udstødningsventilerne i cylinderhovedet at åbne, og den varme udstødning begynder at forlade cylinderen via de topmonterede udstødningsventiler. Når stemplet fortsætter med at gå mod BDC, åbnes indsugningsportene i cylinderforingen, hvilket tillader frisk luft ind i cylinderen, hvilket tvinger den sidste af udstødningen ud af de øverste udstødningsventiler. Denne rensningsproces fortsætter, indtil udstødningsventilerne lukker (engang omkring stempelpositionen ved BDC). Indsugningsportene er stadig åbne, så frisk luft fortsætter ind i cylinderen fra blæseren, indtil stemplet passerer toppen af indsugningsportene på foringen og fanger luften i cylinderen. Derefter opvarmes denne luft og presses, indtil stemplet er nær TDC. Brændstofinjektoren skaber en højtryksspray i den varme trykluft, hvilket forårsager automatisk tænding og forbrænding. Cyklussen begynder derefter på ny.

på den anden side fungerer en firetakts kompressionstændingsmotor ved at inducere luft fra indsugningsmanifolden i cylinderen under indsugningsslaget, TDC til BDC (se figur 2), derefter lukkes indsugningsventilerne, og stemplet bevæger sig derefter tilbage mod TDC, mens luften komprimeres til forhøjet temperatur og tryk. Injektoren sprøjter brændstof ind i forbrændingskammeret, tænding opstår, og stemplet tvinges nedad ved højt tryk på grund af forbrænding i det, der kaldes kraftslag. Endelig åbnes udstødningsventilerne, og stemplet vender tilbage til TDC og tvinger udstødningsforbrændingsprodukterne ud i udstødningsslaget. Cyklussen gentages derefter herfra.

uanset om motoren er to – eller firetakts, er hensigten at skabe højtryks-og højtemperaturluft nær slutningen af kompressionsdelen af cyklussen. Det indsprøjtede brændstof udsættes derefter for luft med højt tryk og høj temperatur og antændes automatisk meget hurtigt. Forsinkelsen mellem indsprøjtning af brændstof og automatisk tænding kaldes som tændingsforsinkelsen, som typisk er et par krumtapvinkler. Brændstof fortsætter med at blive injiceret som en stråle, som har en reaktionssone på periferien af strålen, og reaktionen styres ved diffusion af luft ind i reaktionsområdet kombineret med diffusion af brændstof udad til reaktionsområdet. Denne diffusionsproces forekommer i millisekunder, mens de faktiske reaktioner forekommer på mikrosekundens tidsskala, så diffusionens væskemekanik styrer reaktionshastigheden.

en betydelig forskningsindsats er blevet brugt til at studere veje for at forbedre effektiviteten, emissionssignaturen, pålideligheden og effekten af CI-motorer. Produktionsvirksomheder, universiteter og forskningslaboratorier har alle lånt deres ekspertise, udstyr og faciliteter til at fremme CI-motorteknologi. Nogle af disse fremskridt inkluderer direkte injektion (DI) for at eliminere behovet for forkamre og reducere varmeoverførsel, optisk diagnostik til undersøgelse af dannelse af forurenende stoffer i cylinderen, avancerede beregningssimuleringsfunktioner til at forudsige og optimere CI-motorens ydeevne, betydelig indsats for at forstå brændstofkemi og sammensætning for at skræddersy CI-motordrift til lokalt tilgængelige brændstoffer. Da ingeniører og forskere fortsætter med at anvende deres ekspertise til den grundlæggende undersøgelse af CI-motorteknologi, er der ingen tvivl om, at yderligere fremskridt vil blive opnået.

hvordan adskiller CI-motoren sig fra SI-motoren?

der er flere grunde til, at CI-motorer er så populære i kommercielle og industrielle applikationer. En vigtig årsag er, at CI-motorernes iboende brændstofeffektivitet er højere end SI-motorernes. Karakteren af kompressionstænding giver et par vigtige faktorer, der giver mulighed for høj brændstofeffektivitet. En faktor er højt kompressionsforhold (Gill et al., 1954). Da Ci-motorer er afhængige af brændstof injiceret i cylinderen og blanding af dette brændstof med luften, undgås motorknock. Motorknock er en af de primære begrænsninger for højere kompressionsforhold i SI-motorer. Den anden faktor er det eliminerede behov for gasregulering af motoren for at styre effekten. Igen, fordi brændstoffet injiceres direkte og blandes i forbrændingskammeret, kan CI-motoreffekten styres blot ved at justere mængden af brændstof, der injiceres, i modsætning til SI-motorer, hvor brændstoffet og luften er forblandet og i det væsentlige homogene ved et konstant blandingsforhold (Heisler, 1999). Dette betyder, at for at holde dette blandingsforhold konstant, hvis brændstof reduceres, skal luften også reduceres i samme forhold. Denne styring af luft sker med en gasspjæld eller indsugningsbegrænsning, og det skaber betydelige gasudveksling eller “pumpning” tab. Den tredje faktor er varmeoverførsel. Ci-motorer er i stand til at køre “brændstof magert”, hvilket betyder, at motoren bruger alt brændstoffet, men ikke alt det ilt, der er til stede i forbrændingskammeret. Dette har tendens til at producere lavere temperaturer i cylinderen og som et resultat lavere varmeafvisning til motorens kølevæske og motorudstødning og højere effektivitet. Som en yderligere fordel er gamma eller forholdet mellem specifikke heats Cp / Cv højere for magre forbrændingsmotorer end for motorer, der opererer ved støkiometri. Mindre af den termiske energi, der genereres af forbrændingsreaktionerne, går tabt i eksitationstilstandene for større triatomiske arter (CO2 og H2O damp). Dette betyder, at mere af den termiske energi er tilgængelig for at hæve arbejdsvæskens tryk og temperatur, hvilket er det, der skaber arbejde, der kan ekstraheres (Foster, 2013).

der er dog også flere ulemper ved CI-motoren, der er værd at nævne. CI-motoren skal være konstrueret til at være meget robust til at håndtere de forhøjede tryk og temperaturer, der er skabt af høje kompressionsforhold og øgede indtagstryk. Dette producerer motordesign, der har inerti med høj rotation og begrænser derefter den maksimale motorhastighed. Det hæver også omkostningerne, da alt udstyr skal være meget holdbart. En anden ulempe for CI-motorer er emissionssignaturen. Afhængigheden af diffusionsstyret forbrænding betyder, at der er betydelig stratificering mellem brændstof og luft i modsætning til homogeniteten af bensin/luftblandinger i SI-motorer. Denne stratificering skaber partikler (PM) og ilt af nitrogen (Neks). Disse uønskede produkter fra ci-forbrænding er blevet opdaget at være en sundhedsfare og miljøskadelig. I det væsentlige har den traditionelle CI-motor ikke et effektivitetsproblem, den har et emissionsproblem.

hvad med Bio-afledte brændstoffer?

meget af det nuværende og forudsigelige arbejde i CI-motorer ser ud til at fokusere på brugen af alternative brændstoffer eller endda flere brændstoffer i et forsøg på at bevare den høje effektivitet (måske endda forbedre den), men alligevel reducere signaturen for skadelige emissioner og drivhusgasproduktion markant. Bioafledte brændstoffer er en populær tilgang, især i udviklingsøkonomier, for at imødegå drivhusgasudfordringen og omkostningerne ved olieimport. Biobrændstoffer fremstilles generelt af en eller anden type vegetabilsk olie og behandles kemisk for at skabe et produkt, der efterligner petroleumsdiesel på mange måder. Flere råmaterialer er blevet udnyttet på denne måde afhængigt af de lokale vækstbetingelser og de afgrøder, der trives under disse forhold. Sojabønner, raps, palmefrø, Jatropha og karanja olier blandt mange andre er blevet behandlet som brændstoffer. Generelt er biobrændstoffer af denne type opdelt i kategorier, de olier, der stammer fra spiselige planter, og dem, der stammer fra ikke-spiselige planter. Kemisk er det brændstof, der stammer fra spiselige planter, lettere og lavere omkostninger at behandle til brændstoffer. Dette kan dog også skabe en” mad eller brændstof ” udfordring i den lokale økonomi. Ikke-spiselige plantebaserede biobrændstoffer er vanskeligere og dyrere at behandle, men har tendens til at undgå “mad eller brændstof” – vanskeligheden. En udfordring for traditionelt biodieselbrændstof er, at selve brændstoffet indeholder ilt som en del af dets struktur. Dette iltede brændstof vil have betydeligt reduceret energiindhold sammenlignet med petroleumsdiesel. Reduktioner af energiindholdet er generelt i størrelsesordenen 7-8 volumenprocent sammenlignet med petroleumsdiesel. Dette fører til mere mængde brændstof, der forbruges for den samme mængde energi, der leveres. Nyere arbejde er blevet udført med hensyn til algeafledte eller algebrændstoffer, som giver potentialet for meget større udbytte end traditionelle biobrændstoffer (frashure et al., 2009). Et andet nyligt forskningsemne er oprettelsen af “vedvarende” diesel fra den hydrotermiske eller anden behandling af biomassemateriale til ekstraktion af langkædede kulbrinter svarende til petroleumsdieselbrændstof (aatola et al., 2008). Vedvarende diesel har ikke tendens til at blive iltet, så energiindholdet har tendens til at være det samme som for oliediesel. Alligevel anvender en anden tilgang til at skabe dieselbrændstof fra både vedvarende og ikke-vedvarende kilder en proces kaldet Fischer–Tropsch (FT), såkaldt efter de tyske opfindere af denne proces i 1930 ‘ erne. FT-brændstoffer stammer fra metan, forgaset kul eller forgaset biomasse for at skabe langkædede kulbrinter, der er egnede til brug som brændstof. Flere akronymer bruges til denne type brændstof, afhængigt af råmaterialet. Gas-til-væske (GTL), kul-til-væske (CTL) og biomasse-til-væske (BTL) er nogle få af disse akronymer. FT-processen skaber dieselbrændstof af høj kvalitet – høj cetan-vurdering, lav viskositet, intet svovl og højt energiindhold-men processen er også kompliceret og dyr, i det mindste på nuværende tidspunkt (Agarval, 2004).

Hvad er State-of-the-Art for CI-motorer?

CI-motorer anvendes over hele verden som kilder til motiv og stationær kraft. Da nye økonomier som Indien og Kina øger deres efterspørgsel efter transport og elektrisk strøm for at imødekomme den økonomiske efterspørgsel, er der alvorlige spørgsmål vedrørende fremtiden for CI-motorer i lyset af stadig strengere miljøregulering, drivhusgasregulering og efterspørgsel efter fossilt brændstof. Er der strategier, der gør det muligt for CI-motoren at udvikle sig for at imødekomme disse nuværende og fremtidige markedskrav?

ved hjælp af traditionelt dieselbrændstof har ingeniører gjort nogle spændende fremskridt inden for effektivitetsforbedring og emissionsreduktion ved at anvende avanceret injektionsteknologi som common rail højtrykspumper, brændstofinjektorer, avanceret turbomaskineri og genvinding af spildvarme (termoelektrikum osv.), og næsten eliminering af svovl i dieselbrændstof. Brændstof kan nu måles meget mere præcist i forbrændingskammeret for at skabe forbrændingshændelser, der er glattere og mindre forurenende. Anvendelsen af udstødningsgasrecirkulation (EGR) har gjort det muligt for ingeniører at reducere iltkoncentrationen i indsugningsluften, hvilket giver lavere maksimale forbrændingstemperaturer med betydelige reduktioner. Fremskridt inden for efterbehandling, såsom dieselpartikelfiltre (DPF), denokskatalysatorer (både selektiv katalytisk reduktion og magert fælde) og dieseloksideringskatalysatorer (DOC), anvendes i øjeblikket i moderne CI-motorer.

løbende avanceret forbrændingsarbejde har skabt spændende muligheder for forbedring af CI-motoreffektiviteten samt betydelig forbedring af emissionssignaturen. Efterhånden som forskningen skrider frem, har det vist sig, at det er muligt at forbedre en vis forblanding af brændstof og luft, samtidig med at man bevarer evnen til at kontrollere effekt ved brændstoflevering (ingen gasregulering) og bevare et højt kompressionsforhold. Der er en række strategier, der er blevet anvendt til at nå disse mål. Den ene er brugen af dobbelt brændstof, populært kendt som reaktivitetsstyret kompressionstænding (RCCI). I RCCI injiceres et brændstof med lav reaktivitet (såsom bensin, ethanol eller lignende) i forbrændingskammeret som den primære energikilde og en meget lille mængde af et brændstof med høj reaktivitet (såsom diesel, biodiesel osv.). Dette giver ikke kun mulighed for at køre motoren magert, hvilket reducerer maksimale forbrændingstemperaturer og forbedrer effektiviteten, men giver også en positiv tændingsstrategi for at undgå fejl og bevare høj robusthed. RCCI i forskningsmotorer har vist muligheden for at opnå meget høje effektivitetsniveauer (primært på grund af endnu yderligere reduceret varmeoverførsel end traditionel dieselforbrænding) og kontrol robusthed. Cylinder (en for hvert brændstof) og kravet om enten at bære to separate brændstoffer eller bære et reaktivitetsforbedrende additiv til brændstof med lav reaktivitet (Curran et al., 2013).

en anden spændende mulighed i CI-motorernes verden er brugen af et forholdsvis lavt reaktivitetsbrændstof (bensin, naphtha osv.) sammenlignet med diesel, men brug stadig en kompressionstændingsarkitekturmotor og brug den lange tændingsforsinkelse af disse brændstoffer til at give et vist niveau af forblanding, mens du stadig bevarer tilstrækkelig stratificering til at give belastningskontrol (Kalghatgi et al., 2007). Bensin kompressionstænding (GCI) eller delvist forblandet kompressionstænding (PPCI) forsøg på at nå det samme mål som rccis brug af dobbeltbrændstof, men at gøre det ved at stratificere et brændstof på en præcis måde. Denne tændingskontrol kan være ret udfordrende sammenlignet med RCCI, da det afhænger af de stadigt skiftende lokale brændstof/luftblandingsegenskaber snarere end positivt at tilføje et brændstof med høj reaktivitet på et bestemt tidspunkt. Fordelen er, at der kun kræves et brændstof og en injektor pr.

i hvert af tilfældene for RCCI og PPCI er hensigten at tillade, at der forekommer tilstrækkelig forblanding til, at PM-niveauerne er lave, og at betjene forbrændingen mager eller fortyndet nok til at opretholde maksimale forbrændingstemperaturer under 2000k, undgå termisk nok produktion. Robustheden af disse nye tilgange til forbrænding og antændelse er en udfordring, som flere forskningsorganisationer rundt om i verden nærmer sig (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

hvad bringer fremtiden for CI-motorer?

mindst fra 2015 har ci-motorer en dominerende stilling på markedet for erhvervskøretøjer og terrængående køretøjer. Da der på verdensplan anvendes mere regulatorisk pres på drivhusgasemissioner og luftkvalitet, vil ci-motorer fortsætte med at udvikle sig for at imødekomme disse tryk. Kombinationen af den høje energitæthed af flydende brændstoffer kombineret med den høje effekttæthed af CI-motorer og meget lave produktionsomkostninger vil fortsat gøre CI-motorer til en populær løsning til motiv og stationær kraftproduktion. Spændende forskning har været i gang på dette område for at forbedre effektiviteten, reducere emissioner, forbedre emissionskontrol efterbehandlingsteknologi, og der er gjort enorme fremskridt. Der er dog behov for endnu flere fremskridt, da verdens befolkning går forbi 7 milliarder mennesker, og efterspørgslen efter magt i udviklingslandene skyrockets. Hvordan vi løser transport-og magtudfordringer i de næste par årtier vil sætte tonen for vores evne som samfund til at opretholde både et beboeligt miljø og en levestandard, der er acceptabel for en stadigt stigende befolkning over hele verden.

interessekonflikt Erklæring

forfatteren erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.

anerkendelser

det indsendte manuskript er oprettet af UChicago Argonne, LLC, operatør af Argonne National Laboratory (“Argonne”). Argonne, et US Department of Energy Office of Science laboratory, drives under kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357. Den amerikanske regering beholder for sig selv og andre, der handler på dens vegne, en indbetalt ikke-eksklusiv, uigenkaldelig verdensomspændende licens i nævnte artikel til at gengive, forberede afledte værker, distribuere kopier til offentligheden og udføre offentligt og vise offentligt af eller på vegne af regeringen. Dette påvirker ikke andres rettigheder til at genudgive og genudgive under CC-BY-vilkår (www.creativecommons.org). forfatteren vil gerne anerkende den økonomiske støtte fra Department of Energy Office of Vehicle Technologies, Advanced Engine Forbrændingsprogram, administreret af Mr. Gurpreet Singh.