Frontiers in Mechanical Engineering

Bevezetés és rövid története kompressziós gyújtású motorok

amióta Rudolf Diesel feltalálta a belső égésű motor, amely végül viseli a nevét, kompressziós gyújtás óta használják, mint egy hatékony és hatékony eszköz, hogy kezdeményezzen égés motorok. Diesel növényi olajokat használt új motorjának feltalálására, mivel abban az időben nem volt kőolaj-infrastruktúra az üzemanyagok számára. Az öngyulladáshoz szükséges nyomás és hőmérséklet megteremtéséhez szükséges magas tömörítési arány a kompressziós gyújtású motor jellemzője volt. Szükség volt egy olyan mechanizmusra is, amely közvetlenül befecskendezi az üzemanyagot az égéstérbe. Az idő előrehaladtával a kőolajpárlatok infrastruktúrája elérhetővé vált olyan üzemanyagok számára, mint a benzin (a szikragyújtású motorok támogatására), a kerozin és a fűtőolaj (házak fűtése), és természetesen a dízel üzemanyag (Heywood, 1988).

a kompressziós gyújtás használatának és az üzemanyag közvetlen befecskendezésének előnyei az égéstérbe bizonyították magukat a fejlesztés következő néhány évtizedében. A kompressziós gyújtású motornak eleve nagy tömörítési arányra van szüksége az öngyújtáshoz szükséges feltételek megteremtéséhez. A nagy tömörítési arány az egyik tervezési jellemző a hatékonyság javítása érdekében. Ezenkívül a kompressziós gyújtás nem igényelt fojtást a motor teljesítményének szabályozásához. Az üzemanyag közvetlen befecskendezése az égéstérbe nagy kopásállóságot biztosított, ami korlátozza a kompressziós arányt, végül pedig a szikragyújtású motorok hatékonyságát. További előny, hogy a kompressziós gyújtású motorok kopogáskorlátozás nélkül Nagyvonalú szívónyomást növelhetnek turbófeltöltéssel, tovább növelve a hatékonyságot és a teljesítménysűrűséget.

az út során számos technológiai akadályba ütköztek és leküzdöttek – például a dugattyúk és hengerfejek gyártásának képessége, amelyek robusztusan elérhetik a dízel öngyújtáshoz szükséges nagy kompressziós arányokat, az előkamrákat, amelyek kihasználhatják a viszonylag alacsony nyomású befecskendezőket a nagy kompressziós arányú teljes égéstérbe, az új üzemanyag-befecskendezési technológia nagyon nagy nyomású üzemanyaggal, hogy kiküszöböljék az előkamrák szükségességét és lehetővé tegyék a közvetlen befecskendezést az égéstérbe, és végül az elektronikus vezérlők és működtetők sokkal több precíz üzemanyag -, levegő-és kibocsátásszabályozás, hogy megfeleljen a kibocsátásszabályozás szigorú követelményeinek.

a kompressziós gyújtású motorok jelenlegi állapota

a kompressziós gyújtású motorokat számos kereskedelmi és fogyasztói alkalmazásban használják szerte a világon, olyan eszközök táplálására, mint a nagy hajók, mozdonyok, haszongépjárművek, építőipari és mezőgazdasági berendezések, áramfejlesztők, sőt autók. Szinte kizárólag ezek az alkalmazások dízel üzemanyagot használnak égéshez. A dízelmotor az üzemanyag öngyújtásának egyszerűségére támaszkodik, amelyet a kémiai tulajdonságmérnökök cetánszámnak/Indexnek hívnak-empirikusan levezetett mutató, amely leírja az üzemanyag öngyújtásának egyszerűségét. A biodízeleket számos alkalmazásban is használják, különösen a vidéki területeken és a fejlődő országokban. A biodízeleket általában növényi olajokból készítik, amelyeket kémiailag feldolgoztak a glicerin termékek eltávolítására, zsírsav-metil (vagy etil) észtert hagyva (FAME). A biodízelek megpróbálják utánozni a dízelüzemanyag tulajdonságait, és bár tiszta üzemanyag-helyettesítőként használhatók, általában kőolaj-dízellel keverőanyagként használják őket.

a kompressziós gyújtású motornak két elsődleges megközelítése van – a kétütemű és a négyütemű architektúra. A nagyon nagy CI motorok (különösen a hajó és a mozdony) általában kétüteműek, elsősorban azért, mert a motor fordulatszáma alacsony percenkénti fordulatszámra (RPM) korlátozódik. A kétütemű CI motoroknak külső levegőellátási forrással kell rendelkezniük, például turbófeltöltővel vagy kompresszorral (vagy bizonyos esetekben mindkettő hibridjével), mert a levegő a hengerbélés nyílásain keresztül kényszerül a hengerbe. Az 1. ábra ezt a konfigurációt mutatja. A kipufogógázt vagy egy másik nyíláson keresztül vezetik ki (szikragyújtott változat), vagy a hengerfejben lévő pipacsszelepeken keresztül (lásd az 1.ábrát). A hengerbélés beszívott levegő nyílásai akkor nyílnak meg, amikor a dugattyú alá esik a teljesítményütemben, lehetővé téve a nyomás alatt álló, hűvös levegőt a hengerbe. Amint a dugattyú a BDC felé halad a teljesítményütemben, a hengerfejben lévő kipufogószelepek kinyílnak, és a forró kipufogógáz a tetejére szerelt kipufogószelepeken keresztül elkezdi elhagyni a hengert. Amint a dugattyú tovább halad a BDC felé, a hengerbélés szívónyílásai kinyílnak, friss levegőt engedve a hengerbe, ami az utolsó kipufogógázt kiszorítja a felső kipufogószelepekből. Ez a takarítási folyamat addig folytatódik, amíg a kipufogószelepek bezáródnak (valamikor a dugattyú helyzete körül a BDC-nél). A szívónyílások még mindig nyitva vannak, így a friss levegő folytatódik a hengerbe a fúvóból, amíg a dugattyú át nem halad a bélés szívónyílásainak tetején, csapdába ejtve a levegőt a hengerben. Ezután ezt a levegőt addig melegítik és nyomás alá helyezik, amíg a dugattyú közel nem kerül a TDC-hez. Az üzemanyag-befecskendező szelep nagynyomású spray-t hoz létre a forró, sűrített levegőbe, ami öngyulladást és égést okoz. A ciklus ezután újrakezdődik.

másrészt egy négyütemű kompressziós gyújtású motor úgy működik, hogy a szívócsatornából levegőt vezet be a hengerbe a szívási löket alatt, TDC-től BDC-ig (lásd a 2.ábrát), majd a szívószelepek bezáródnak, majd a dugattyú visszahúzódik a TDC felé, miközben a levegőt megemelt hőmérsékletre és nyomásra összenyomja. Az injektor üzemanyagot permetez az égéstérbe, meggyullad, és a dugattyú nagy nyomáson lefelé kényszerül az égés miatt az úgynevezett teljesítményütemben. Végül a kipufogószelepek kinyílnak, és a dugattyú visszatér a TDC-hez, és a kipufogógáz-löketben kiszorítja a kipufogógáz-égéstermékeket. A ciklus ezután megismétlődik innen.

függetlenül attól, hogy a motor két – vagy négyütemű, a cél az, hogy magas nyomású és magas hőmérsékletű levegőt hozzon létre a ciklus kompressziós részének vége közelében. A befecskendezett üzemanyag ezután ki van téve a magas nyomású és magas hőmérsékletű levegőnek, és nagyon gyorsan meggyullad. Az üzemanyag befecskendezése és az öngyújtás közötti késleltetést gyújtási késleltetésnek nevezzük, amely általában néhány forgattyús szög. Az üzemanyagot továbbra is sugárként injektálják, amelynek reakciózónája van a sugár kerületén, és a reakciót a levegő diffúziója szabályozza a reakciózónába, párosulva az üzemanyag diffúziójával a reakciózónába. Ez a diffúziós folyamat milliszekundumban történik, míg a tényleges reakciók a mikroszekundumos időskálán zajlanak, tehát a diffúzió folyadékmechanikája szabályozza a reakció sebességét.

jelentős kutatási erőfeszítéseket fordítottak a CI motorok hatékonyságának, károsanyag-kibocsátásának, megbízhatóságának és teljesítményének javítására szolgáló utak tanulmányozására. A gyártó vállalatok, egyetemek és kutatólaboratóriumok mind kölcsönözték szakértelmüket, felszerelésüket és létesítményeiket a CI motor technológiájának fejlesztéséhez. Ezen fejlesztések némelyike magában foglalja a közvetlen befecskendezést (DI) az előkamrák szükségességének kiküszöbölésére és a hőátadás csökkentésére, az optikai diagnosztikát a hengerben lévő szennyezőanyag-képződés tanulmányozására, a fejlett számítási szimulációs képességeket a CI motor teljesítményének előrejelzésére és optimalizálására, jelentős erőfeszítéseket az üzemanyag-kémia és összetétel megértésére a CI motor működésének a helyben elérhető üzemanyagokhoz történő igazítása érdekében. Mivel a mérnökök és a tudósok továbbra is alkalmazzák szakértelmüket a CI motortechnológia alapvető tanulmányozására, nem kétséges, hogy további előrelépéseket fognak elérni.

miben különbözik a CI motor az SI motortól?

számos oka van annak, hogy a CI motorok annyira népszerűek a kereskedelmi és ipari alkalmazásokban. Az egyik fontos ok az, hogy a CI motorok eredendő üzemanyag-hatékonysága magasabb, mint az SI motoroké. A kompressziós gyújtás jellege néhány fontos tényezőt biztosít, amelyek lehetővé teszik a magas üzemanyag-hatékonyságot. Az egyik tényező a magas tömörítési arány (Gill et al., 1954). Mivel a CI motorok a hengerbe befecskendezett üzemanyagra támaszkodnak, és ezt az üzemanyagot összekeverik a levegővel, a motor kopogása elkerülhető. A motor kopogása az SI motorok magasabb tömörítési arányának egyik elsődleges korlátozása. A második tényező a motor fojtásának szükségessége a teljesítmény szabályozásához. Ismét, mivel az üzemanyagot közvetlenül befecskendezik és összekeverik az égéstérben, a CI motor teljesítménye pusztán a befecskendezett üzemanyag mennyiségének beállításával szabályozható, ellentétben az SI motorokkal, ahol az üzemanyag és a levegő előkeverve és lényegében homogén állandó keverékarány mellett (Heisler, 1999). Ez azt jelenti, hogy a keverék arányának állandó megtartása érdekében, ha az üzemanyag csökken, a levegőt is ugyanolyan arányban kell csökkenteni. A levegő ilyen kezelése fojtószeleppel vagy beszívási korlátozással történik, és jelentős gázcserét vagy “szivattyúzási” veszteségeket okoz. A harmadik tényező a hőátadás. A CI motorok képesek “üzemanyag-sovány” működésre, ami azt jelenti, hogy a motor az összes üzemanyagot elfogyasztja, de az égéstérben lévő összes oxigént nem. Ez általában alacsonyabb hengerhőmérsékletet eredményez, és ennek eredményeként alacsonyabb hővisszanyerést eredményez a motor hűtőfolyadékában és a motor kipufogógázában, és nagyobb hatékonyságot eredményez. További előnyként a CP/Cv fajlagos melegítések gamma vagy aránya magasabb a sovány égésű motoroknál, mint a sztöchiometriával működő motoroknál. Az égési reakciók során keletkező hőenergiából kevesebb vész el a nagyobb triatomikus Fajok (CO2 és H2O gőz) gerjesztési állapotaiban. Ez azt jelenti, hogy több hőenergia áll rendelkezésre a munkaközeg nyomásának és hőmérsékletének növelésére, ami olyan munkát hoz létre, amely kivonható (Foster, 2013).

a CI motornak azonban számos hátránya is van, amelyeket érdemes megemlíteni. A CI motort úgy kell megtervezni, hogy nagyon robusztus legyen a magas kompressziós arányok és a megnövelt szívónyomás által okozott megnövekedett nyomás és hőmérséklet kezelésére. Ez olyan motorterveket eredményez, amelyek nagy forgási tehetetlenséggel rendelkeznek, majd korlátozzák a motor maximális fordulatszámát. Ez növeli a költségeket is, mivel az összes hardvernek nagyon tartósnak kell lennie. A CI motorok másik hátránya a kibocsátási aláírás. A diffúzióval vezérelt égésre való támaszkodás azt jelenti, hogy jelentős rétegződés van az üzemanyag és a levegő között, szemben a benzin/levegő keverékek homogenitásával az SI motorokban. Ez a rétegződés részecskéket (PM) és nitrogén-oxidokat (NOx) hoz létre. Ezek a nem kívánt CI égéstermékek egészségkárosító és környezeti szempontból káros hatásúnak bizonyultak. Lényegében a hagyományos CI motornak nincs hatékonysági problémája, hanem kibocsátási problémája van.

mi a helyzet a Bio-eredetű üzemanyagokkal?

úgy tűnik, hogy a kompressziós gyújtású motorok jelenlegi és előrelátható munkájának nagy része az alternatív üzemanyagok vagy akár több üzemanyag használatára összpontosít annak érdekében, hogy megőrizze a nagy hatékonyságot (talán még javítsa is), ugyanakkor jelentősen csökkentse a káros kibocsátások aláírását és az üvegházhatású gázok termelését. A Bio-eredetű üzemanyagok az egyik népszerű megközelítés, különösen a fejlődő gazdaságokban, hogy ellensúlyozzák az üvegházhatást okozó gázok kihívását és a kőolajimport költségeit. A bioüzemanyagokat általában valamilyen növényi olajból állítják elő, és kémiailag feldolgozzák, hogy olyan terméket hozzanak létre, amely sok szempontból utánozza a kőolaj-dízelt. Számos alapanyagot használtak fel ilyen módon, a helyi termesztési körülményektől és az ilyen körülmények között virágzó növényektől függően. A szójabab, repce, pálmamag, jatropha és karanja olajokat többek között üzemanyagként dolgozták fel. Az ilyen típusú bioüzemanyagokat általában kategóriákba sorolják, az ehető növényekből és a nem ehető növényekből származó olajokat. Kémiailag az ehető növényekből származó üzemanyag könnyebben és olcsóbban dolgozható fel üzemanyaggá. Ez azonban” élelmiszer vagy üzemanyag ” kihívást is jelenthet a helyi gazdaságban. A nem ehető növényi eredetű bioüzemanyagokat nehezebb és drágább feldolgozni, de általában elkerülik az” élelmiszer vagy üzemanyag ” nehézségeket. A hagyományos biodízel üzemanyag egyik kihívása az, hogy maga az üzemanyag szerkezete részeként oxigént tartalmaz. Ez az oxigénezett üzemanyag jelentősen csökkenti az energiatartalmat a kőolaj-dízelhez képest. Az energiatartalom csökkentése általában 7-8 térfogat% – os nagyságrendű a kőolaj-dízelhez képest. Ez azt eredményezi, hogy nagyobb mennyiségű üzemanyagot fogyasztanak ugyanannyi szállított energiához. Újabb munkát végeztek az algákból származó vagy algából származó tüzelőanyagok tekintetében, amelyek sokkal nagyobb hozamot kínálnak, mint a hagyományos bioüzemanyagok (Frashure et al., 2009). Egy másik legújabb kutatási téma a “megújuló” dízel létrehozása a biomassza anyag hidrotermális vagy más feldolgozásából a kőolaj-dízelüzemanyaghoz hasonló hosszú láncú szénhidrogének kinyerésére (Aatola et al., 2008). A megújuló dízel általában nem oxigénezett, ezért az energiatartalom általában megegyezik a kőolaj-dízelolajéval. Mégis, a dízel üzemanyag megújuló és nem megújuló forrásokból történő előállításának másik megközelítése a Fischer-Tropsch (FT) nevű folyamatot használja, amelyet az 1930–as évek német feltalálói után neveztek el. az FT üzemanyagok metánból, gázosított szénből vagy gázosított biomasszából származnak, hogy hosszú láncú szénhidrogéneket hozzanak létre üzemanyagként. Az ilyen típusú üzemanyaghoz számos rövidítést használnak, az alapanyagtól függően. A gáz-folyadék (GTL), a szén-folyadék (CTL) és a biomassza-folyadék (BTL) csak néhány ezek közül a rövidítések közül. Az FT eljárás meglehetősen jó minőségű dízelüzemanyagot hoz létre-magas cetán besorolással, alacsony viszkozitással, kénmentes és magas energiatartalommal -, de a folyamat bonyolult és drága is, legalábbis jelenleg (Agarwal, 2004).

mi a legmodernebb A CI motorok számára?

A CI motorokat világszerte használják motívumként és álló erőforrásként. Mivel az olyan feltörekvő gazdaságok, mint India és Kína, a gazdasági kereslet kielégítése érdekében növelik a közlekedés és az elektromos energia iránti igényüket, komoly kérdések merülnek fel a kompressziós gyújtású motorok jövőjével kapcsolatban az egyre szigorúbb környezetvédelmi szabályozással, az üvegházhatást okozó gázok szabályozásával és a fosszilis tüzelőanyagok iránti kereslettel szemben. Vannak-e olyan stratégiák, amelyek lehetővé teszik a CI motor fejlődését, hogy megfeleljen ezeknek a jelenlegi és jövőbeli piaci igényeknek?

a hagyományos dízel üzemanyag felhasználásával a mérnökök izgalmas előrelépéseket tettek a hatékonyság javítása és a kibocsátás csökkentése terén olyan fejlett befecskendezési technológiák alkalmazásával, mint a common rail Nagynyomású szivattyúk, piezo-működtetésű üzemanyag-befecskendezők, fejlett turbomachinery és hulladékhő-visszanyerés (termoelektrikumok stb.), valamint a kén eltávolítása a dízelüzemanyagban. Az üzemanyag sokkal pontosabban adagolható az égéstérbe, hogy egyenletesebb és kevésbé szennyező égési eseményeket hozzon létre. A kipufogógáz-visszavezetés (EGR) lehetővé tette a mérnökök számára, hogy csökkentsék a beszívott levegő oxigénkoncentrációját, alacsonyabb égési csúcshőmérsékletet biztosítva jelentős NOx-csökkentéssel. Az utókezelés, mint például a dízel részecskeszűrők (DPF), a deNOx katalizátorok (mind a szelektív katalitikus redukció, mind a sovány csapda), valamint a dízel oxidációs katalizátorok (DOC), jelenleg a modern CI motorokban használják.

a folyamatban lévő fejlett égési munkák izgalmas lehetőségeket teremtettek a CI motor hatékonyságának javításában, valamint a károsanyag-kibocsátás jelentős javításában. A kutatás előrehaladtával bebizonyosodott, hogy az üzemanyag és a levegő bizonyos mértékű előkeveredésének javítása, miközben az üzemanyag-szállítás révén (fojtás nélkül) szabályozható a teljesítmény, és megtartható a nagy tömörítési arány. Vannak különböző stratégiák, hogy már alkalmazott elérni ezeket a célokat. Az egyik a kettős üzemanyag, közismert nevén reaktivitás vezérelt kompressziós gyújtás (RCCI). Az RCCI-ben alacsony reaktivitású üzemanyagot (például benzint, etanolt vagy hasonlót) injektálnak az égéstérbe, mint elsődleges energiaforrást, és nagyon kis mennyiségű nagy reaktivitású üzemanyagot (például dízelt, biodízelt stb.). Ez nem csak lehetővé teszi a motor sovány működtetését, ami csökkenti az égési csúcshőmérsékletet és javítja a hatékonyságot, hanem pozitív gyújtási stratégiát is biztosít a gyújtáskimaradások elkerülése és a nagy robusztusság megőrzése érdekében. A kutatómotorokban alkalmazott RCCI megmutatta a nagyon magas szintű hatékonyság elérésének lehetőségét (elsősorban a hagyományos dízelüzemű égetésnél még alacsonyabb hőátadásnak köszönhetően) és a robusztusság szabályozását. Az RCCI elsődleges hátránya, hogy hengerenként két injektor szükséges (mindegyik üzemanyaghoz egy), valamint az a követelmény, hogy vagy két külön tüzelőanyagot szállítsanak, vagy reaktivitást fokozó adalékot szállítsanak az alacsony reaktivitású üzemanyaghoz (Curran et al., 2013).

egy másik izgalmas lehetőség a CI motorok világában egy meglehetősen alacsony reakcióképességű üzemanyag (benzin, benzin stb.) a dízelhez képest, de még mindig kompressziós gyújtású architektúrájú motort használnak, és ezeknek az üzemanyagoknak a hosszú gyújtási késleltetését használják fel bizonyos szintű előkeverés biztosítására, miközben továbbra is elegendő rétegződést tartanak fenn a terhelés szabályozásához (Kalghatgi et al., 2007). Benzin kompressziós gyújtás (GCI) vagy részlegesen előkevert kompressziós gyújtás (PPCI) megpróbálja elérni ugyanazt a célt, mint az RCCIs kettős üzemanyag használata, de ezt egy üzemanyag pontos rétegzésével teszi meg. Ez a gyújtásvezérlés meglehetősen kihívást jelenthet az RCCI-hez képest, mivel az állandóan változó helyi üzemanyag/levegő keverési jellemzőktől függ, ahelyett, hogy egy bizonyos időben pozitívan hozzáadna egy nagy reaktivitású üzemanyagot. Előnye, hogy csak egy üzemanyagra van szükség, hengerenként pedig egy befecskendezőre.

az RCCI és PPCI esetében mindegyik esetben az a cél, hogy elegendő előkeverés történjen ahhoz, hogy a RÉSZECSKESZINTEK alacsonyak legyenek, és az égést elég soványan vagy hígítva működtessék ahhoz, hogy az égési csúcshőmérséklet 2000 k alatt maradjon, elkerülve a termikus NOx-termelést. Az égés és a gyújtás ezen új megközelítéseinek robusztussága olyan kihívás, amelyet számos kutatószervezet közelít meg világszerte (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

mit tartogat a jövő a kompressziós gyújtású motorok számára?

legalább 2015-től a kompressziós gyújtású motorok erőfölényben vannak a haszongépjárművek és a terepjárók piacán. Mivel világszerte egyre nagyobb szabályozási nyomás nehezedik az üvegházhatású gázok kibocsátására és a levegő minőségére, a kompressziós gyújtású motorok tovább fejlődnek, hogy megfeleljenek ezeknek a nyomásoknak. A folyékony tüzelőanyagok nagy energiasűrűségének, valamint a kompressziós gyújtású motorok nagy teljesítménysűrűségének és a nagyon alacsony gyártási költségnek a kombinációja továbbra is népszerű megoldássá teszi a kompressziós gyújtású motorokat a motive és a helyhez kötött energiatermelés területén. Izgalmas kutatások folynak ezen a területen a hatékonyság javítása, a kibocsátás csökkentése, a kibocsátás-csökkentés utókezelési technológiájának javítása érdekében, és óriási előrelépés történt. Még nagyobb előrelépésre van azonban szükség, mivel a világ népessége meghaladja a 7 milliárd embert, és a fejlődő országok áramigénye az egekbe szökik. Az, hogy hogyan oldjuk meg a közlekedési és energiaügyi kihívásokat a következő néhány évtizedben, megadja az alaphangot ahhoz, hogy társadalmunk képes legyen fenntartani mind a lakható környezetet, mind az életszínvonalat, amely elfogadható az egyre növekvő népesség számára világszerte.

összeférhetetlenségi nyilatkozat

a szerző kijelenti, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségnek tekinthetők.

köszönetnyilvánítások

a benyújtott kéziratot az UChicago Argonne, LLC, az Argonne Nemzeti Laboratórium (“Argonne”) üzemeltetője készítette. Argonne, az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának tudományos laboratóriuma, Szerződés alapján működik. DE-AC02-06CH11357. Az Egyesült Államok kormánya fenntartja magának és a nevében eljáró más személyeknek a kifizetett, nem kizárólagos, visszavonhatatlan világméretű engedélyt az említett cikkben a származékos művek reprodukálására, előkészítésére, másolatok terjesztésére a nyilvánosság számára, valamint nyilvános előadásra és nyilvános megjelenítésre a kormány által vagy nevében. Ez nem érinti mások azon jogát, hogy a CC-BY feltételek alapján újra közzétegyék és továbbterjesztsék (www.creativecommons.org). a szerző szeretné elismerni az Energiaügyi Minisztérium Járműtechnológiai Hivatalának pénzügyi támogatását, fejlett Motorégési Program, amelyet Gurpreet Singh Úr irányít.