기계공학의 프론티어

압축점화엔진 소개와 간략한 역사

루돌프디젤이 결국 그의 이름을 딴 내연기관을 발명한 이래,압축점화는 엔진에서 연소를 시작하는 효과적이고 효율적인 수단으로 활용되어 왔다. 그 당시 연료를위한 석유 인프라가 없었기 때문에 디젤은 식물성 기름을 사용하여 새로운 엔진을 발명했습니다. 자동 점화에 필요한 압력과 온도를 생성하는 높은 압축 비율은 압축 점화 엔진의 특징이었습니다. 연소실에 직접 연료를 주입하는 메커니즘도 필요했습니다. 시간이 지남에 따라 가솔린(스파크 점화 엔진 지원),등유 및 연료 유(난방 주택),물론 디젤 연료(헤이우드,1988)와 같은 연료에 석유 증류 액의 인프라가 제공되었습니다.

압축 점화와 연소실로 연료를 직접 분사하는 것의 이점은 향후 수십 년 동안 그 발전을 입증했습니다. 압축 점화 엔진은 본질적으로 자동 점화에 필요한 조건을 만들기 위해 높은 압축비가 필요합니다. 높 압축 비율은 효율성을 개량하는 1 개의 디자인 특성 입니다. 더하여,압축 점화는 엔진의 전원 출력을 통제하는 아무 누르기도 필요로 하지 않았습니다. 연소실에 연료를 직접 분사하면 노크에 대한 높은 내성이 제공되어 압축비가 제한되고 궁극적으로 스파크 점화 엔진의 효율성이 제한됩니다. 추가적인 이점은 노크 제한없이 압축 점화 엔진이 터보 차저에 의해 충분한 흡기 압력을 증폭시켜 효율성과 전력 밀도를 더욱 높일 수 있다는 것입니다.

길을 따라,많은 기술적 장애물이 발생하고 극복했다–이러한 견고하게 디젤 자동 점화에 필요한 높은 압축 비율을 달성 할 수 피스톤과 실린더 헤드를 제조 할 수있는 능력,높은 압축비 전체 연소실에 사용할 수있는 상대적으로 저압 인젝터를 활용할 수있는 프리 챔버,프리 챔버에 대한 필요성을 제거하고 연소실로 직접 분사 할 수 있도록 매우 고압 연료와 새로운 연료 분사 기술,그리고 마지막으로,전자 제어 및 액추에이터는 훨씬 더 많은 기능을 제공 할 정확한 연료,공기 및 배출 제어 배출 규제의 엄격한 요구를 충족합니다.

압축 점화 엔진의 현재 상태

압축 점화 엔진은 대형 선박,기관차,상업용 트럭,건설 및 농기구,발전기,심지어 자동차와 같은 장치에 전원을 공급,전 세계의 상업 및 소비자 응용 프로그램의 다양한 사용된다. 거의 독점적으로,이 신청은 연소를 위해 디젤 연료를 이용합니다. 디젤 엔진은 연료의 자동 점화의 용이성에 의존,화학 속성 엔지니어는 세탄 번호/인덱스를 호출–연료의 자동 점화의 용이성을 설명하는 경험적으로 파생 된 메트릭. 바이오 디젤은 또한 많은 응용 분야,특히 농촌 지역 및 개발 도상국에서 사용됩니다. 바이오 디젤은 일반적으로 글리세린 제품을 제거하기 위해 화학적으로 가공 된 식물성 오일로 만들어지며 지방산 메틸(또는 에틸)에스테르(명성)를 남깁니다. 바이오 디젤은 디젤 연료의 특성을 모방하려고 시도하고,그들은 깔끔한 연료 대체물로 사용할 수 있지만,그들은 일반적으로 석유 디젤과 혼합 에이전트로 사용됩니다.

압축 점화 엔진에는 2 행정 및 4 행정 아키텍처의 두 가지 기본 접근법이 있습니다. 매우 큰 엔진(특히 선박 및 기관차)은 주로 엔진 속도가 분당 저 회전으로 제한되기 때문에 2 행정 경향이 있습니다. 공기가 실린더 라이너의 포트를 통해 실린더로 강제되기 때문에 터보 차저 또는 과급기(또는 경우에 따라 둘 다의 하이브리드)와 같은 외부 공기 공급원이 있어야합니다. 그림 1 은 이 구성을 보여줍니다. 배기 장치는 다른 포트 세트(스파크 점화 버전)또는 실린더 헤드의 포펫 밸브를 통해 배출됩니다(그림 1 참조). 실린더 라이너의 흡기 공기 포트는 피스톤이 파워 스트로크에서 아래로 떨어질 때 열리 며 가압 된 시원한 공기를 실린더에 넣을 수 있습니다. 실린더 헤드의 배기 밸브가 열리기 시작하고 뜨거운 배기가 상단 장착 배기 밸브를 통해 실린더를 떠나기 시작합니다. 실린더 라이너의 흡기 포트가 열리 며 실린더에 신선한 공기가 유입되어 마지막 배기 밸브가 상단 배기 밸브에서 빠져 나옵니다. 이 청소 과정은 배기 밸브가 닫힐 때까지 계속됩니다. 입구 항구는 아직도 열려있습니다,그래서 피스톤이 실린더에 있는 공기를 덫을 놓는 강선에 입구 항구의 정상을 통과할 때까지 신선한 공기는 송풍기에서 실린더로 계속합니다. 그런 다음,이 공기는 피스톤이 가열 될 때까지 가압됩니다. 연료 분사 장치는 뜨거운 압축 공기에 고압 스프레이를 생성하여 자동 점화 및 연소를 유발합니다. 그런 다음 사이클이 새롭게 시작됩니다.

한편,4 행정 압축 점화 엔진은 흡기 스트로크 동안 흡기 매니 폴드에서 실린더로 공기를 유도하여 작동합니다. 인젝터는 연소실로 연료를 살포합니다,점화는 일어나고 피스톤은 힘 치기이라고 불리는 무슨이에 있는 연소 때문에 고압에 아래쪽으로 강제됩니다. 최종적으로,배기 밸브가 열리고 피스톤이 역전기로 돌아가 배기 스트로크에서 배기 연소 생성물을 강제로 배출합니다. 그런 다음 사이클이 여기에서 반복됩니다.

엔진이 2 행정인지 4 행정인지에 관계없이,그 목적은 사이클의 압축 부분의 끝부분에 고압 및 고온 공기를 생성하는 것이다. 주입 된 연료는 고압 및 고온 공기에 노출되어 매우 빠르게 자동 점화됩니다. 연료 분사 및 자동 점화 사이의 지연은 일반적으로 몇 크랭크 각도 인 점화 지연이라고합니다. 연료는 제트의 주변에 반응 영역을 갖는 제트로서 주입되고,반응은 반응 영역 외부로 연료의 확산과 결합 된 반응 영역 내로의 공기의 확산에 의해 제어된다. 이 확산 과정은 밀리 초 단위로 발생하며 실제 반응은 마이크로 초의 시간 척도에서 발생하므로 확산 유체 역학이 반응 속도를 제어합니다.

효율,배기가스 시그니처,신뢰성 및 전력 출력을 향상시키기 위한 경로를 연구하기 위해 상당한 연구 노력이 소비되었다. 제조 회사,대학 및 연구소는 모두 자신의 전문 지식,장비 및 시설을 발전시키는 데 빌려 왔습니다. 이러한 발전 중 일부는 프리챔버의 필요성을 없애고 열 전달을 줄이기 위한 직접 분사,실린더 내 오염물질 형성을 연구하기 위한 광학 진단,엔진 성능을 예측하고 최적화하기 위한 고급 전산 시뮬레이션 기능,연료 화학 및 구성을 이해하여 현지에서 사용 가능한 연료에 맞게 조정하는 상당한 노력을 포함합니다. 엔지니어와 과학자들이 자신의 전문 지식을 엔진 기술의 기초 연구에 계속 적용함에 따라 추가적인 발전이 달성 될 것이라는 데는 의심의 여지가 없습니다.

시엔진 엔진과 어떻게 다른가?

상업 및 산업 응용 분야에서 씨씨 엔진이 널리 사용되는 몇 가지 이유가 있습니다. 1 개의 중요한 이유는 씨씨 엔진의 고유한 연료 효율이 시 엔진의 그것 보다는 더 높다이다. 압축 점화의 특성은 높은 연료 효율을 허용하는 몇 가지 중요한 요소를 제공합니다. 한 가지 요인은 높은 압축비(아가미 외., 1954). 엔진 노크는 실린더에 주입 된 연료와 공기와 연료의 혼합에 의존하기 때문에 피할 수 있습니다. 엔진 노크 시 엔진에서 높은 압축 비율 기본 제한 사항 중 하나입니다. 두번째 요인은 전원 출력을 통제하기 위하여 엔진을 누르기를 위한 삭제한 필요입니다. 또,연료가 연소실 내에서 직접 분사되고 혼합되기 때문에,연료와 공기가 미리 혼합되고 본질적으로 일정한 혼합비로 균질하게되는 시 엔진과는 달리,분사되는 연료의 양을 조절함으로써 엔진 동력을 조절할 수 있다(헤이슬러,1999). 이 연료가 감소하는 경우,공기도 같은 비율로 감소해야,그 혼합물 비율을 일정하게 유지하는 것을 의미한다. 이 공기 관리는 스로틀 또는 흡기 제한으로 수행되며 상당한 가스 교환 또는”펌핑”손실을 만듭니다. 세 번째 요소는 열 전달입니다. “연료 야윈”를 달린것은 엔진이 연료 그러나 연소실안에 존재하는 산소의 아니다 모두의 모두를 소모하는 것을 의미한. 이것은 더 낮은 실린더 내 온도를 생성하는 경향이 있으며 결과적으로 엔진 냉각수 및 엔진 배기 및 높은 효율에 대한 열 거부를 낮추는 경향이 있습니다. 추가 혜택으로,감마,또는 비열의 비율 화학량론에서 작동 하는 엔진에 대 한 보다 린 화상 엔진에 대 한 높은. 연소 반응에 의해 생성 된 열에너지는 더 큰 3 원자 종(이산화탄소 및 물 증기)의 여기 상태에서 손실됩니다. 이는 작동 유체의 압력과 온도를 높이기 위해 더 많은 열 에너지를 사용할 수 있음을 의미하며,이는 추출 할 수있는 작업을 만듭니다(포스터,2013).

높은 압력과 높은 압축 비율 및 높은 흡기 압력에 의해 생성 된 온도를 처리 할 수 있도록 설계되어야한다. 이것은 높은 회전 관성을 갖는 엔진 설계를 생성하며 이후 최대 엔진 속도를 제한합니다. 또한 모든 하드웨어가 매우 내구성이 있어야하기 때문에 비용을 높입니다. 엔진의 또 다른 단점은 배기 가스 서명입니다. 확산 제어 연소에 대한 의존도는 연료와 공기 사이에 상당한 계층화가 있음을 의미,시 엔진의 가솔린/공기 혼합물의 동질성 반대. 이 층화는 미립자 물질(오후)과 질소 산화물(질소 산화물)을 생성합니다. 이러한 원치 않는 연소 생성물은 건강에 위험하고 환경 적으로 유해한 것으로 밝혀졌습니다. 본질적으로,전통적인 엔진 효율 문제가없는,그것은 배출 문제가있다.

바이오 유래 연료는 어떻습니까?

현재 및 예측 가능한 대부분의 작업은 대체 연료 또는 다중 연료의 사용에 초점을 맞추어 고효율을 유지(심지어 개선)하면서도 유해한 배출 시그니처 및 온실 가스 생산을 크게 줄이는 것으로 보인다. 바이오 파생 연료는 온실 가스 도전과 석유 수입 비용에 대응하기 위해 특히 개발 도상국에서 인기있는 접근 방식 중 하나입니다. 바이오 연료는 일반적으로 식물성 기름의 일부 유형에서 만든 화학적으로 여러 가지 방법으로 석유 디젤을 모방 한 제품을 만들기 위해 처리됩니다. 몇몇 공급 원료는 그 조건 하에서 번창하는 작물 및 국부적으로 성장 조건에 따라서 이 방법에서,이용되었습니다. 콩,카놀라,야자 씨,자트로파 및 카란 자 오일은 연료로 가공되었습니다. 일반적으로 이러한 유형의 바이오 연료는 식용 식물에서 추출한 오일과 비 식용 식물에서 추출한 오일로 분류됩니다. 화학적으로 식용 식물에서 파생 된 연료는 연료로 처리하기가 더 쉽고 비용이 저렴합니다. 그러나 이것은 또한 지역 경제에서”식량 또는 연료”도전을 야기 할 수 있습니다. 비 식용 식물 유래 바이오 연료는 처리하기가 더 어렵고 비용이 많이 들지만”음식 또는 연료”어려움을 피하는 경향이 있습니다. 전통적인 바이오 디젤 연료에 대한 한 가지 과제는 연료 자체가 구조의 일부로 산소를 포함한다는 것입니다. 이 산소화 연료는 석유 디젤에 비해 에너지 함량이 크게 줄어 듭니다. 에너지 내용 감소는 석유 디젤과 비교된 양에 의하여 7-8%의 순서에 일반적으로 있습니다. 이것은 전달된 에너지의 동일한 양을 위해 소모된 연료의 양 더로 이끌어 냅니다. 조류 유래 또는 조류 연료와 관련하여 더 최근의 작업이 수행되었으며,이는 전통적인 바이오 연료보다 훨씬 더 큰 수율의 잠재력을 제공합니다., 2009). 또 다른 최근의 연구 주제는 석유 디젤 연료와 유사한 장쇄 탄화수소를 추출하기 위해 바이오 매스 물질의 열수 또는 기타 가공으로부터”재생 가능한”디젤을 만드는 것입니다(아톨라 외., 2008). 신 재생 디젤은 산소화되는 경향이 없으므로 에너지 함량은 석유 디젤과 동일한 경향이 있습니다. 그러나 재생 가능 및 재생 불가능한 에너지 원에서 디젤 연료를 만드는 또 다른 접근 방식은 1930 년대에이 공정의 독일 발명가 이후 소위 피셔-트 롭쉬(피트)라는 프로세스를 사용합니다.피트 연료는 메탄,가스화 석탄 또는 가스화 된 바이오 매스에서 파생되어 연료로 사용하기에 적합한 장쇄 탄화수소를 만듭니다. 몇 약어는 공급 원료에 따라서 연료의 이 유형을 위해,이용됩니다. 가스 대 액체(석탄 대 액체),바이오 매스 대 액체(바이오 매스 대 액체)는 이러한 약어 중 몇 가지입니다. 높은 세탄 등급,낮은 점도,아니 황,높은 에너지 함량–-피트 프로세스는 매우 높은 품질의 디젤 연료를 생성하지만,프로세스는 적어도 현 시점에서,복잡하고 비싸다(아가 왈,2004).

최신 엔진이란?

동기와 고정 동력의 원천으로 전 세계적으로 활용되고 있다. 인도와 중국과 같은 신흥 경제국들이 경제 수요를 충족시키기 위해 운송 및 전력에 대한 수요를 늘림에 따라 점점 더 엄격한 환경 규제,온실 가스 규제 및 화석 연료 수요에 직면하여 미래 엔진과 관련하여 심각한 의문이 제기되고 있습니다. 이러한 현재와 미래의 시장 요구에 부응하기 위해 발전 할 수있는 전략이 있습니까?

전통적인 디젤 연료를 사용하여 엔지니어는 커먼 레일 고압 펌프,압전 작동 연료 인젝터,첨단 터보 기계 및 폐열 회수(열전기 등)와 같은 첨단 분사 기술을 사용하여 효율 향상 및 배출 감축에있어 흥미로운 발전을 이루었습니다.),그리고 디젤 연료에서 황의 거의 제거. 연료는 이제 훨씬 더 정확하게 연소 챔버로 계량되어 더 부드럽고 오염이 적은 연소 이벤트를 생성 할 수 있습니다. 배기 가스 재순환을 사용하면 엔지니어는 흡입 공기의 산소 농도를 줄여 피크 연소 온도를 낮추어 상당한 질소 산화물 감소를 제공 할 수 있습니다. 디젤 미립자 필터,데녹스 촉매(선택적 촉매 환원 및 린 트랩),디젤 산화 촉매(닥)와 같은 후처리의 발전은 현재 현대 시이엔진에서 활용되고 있다.

진행 중인 발전된 연소 작업은 엔진 효율의 향상과 배출가스의 현저한 개선에 흥미로운 기회를 창출했다. 연구가 진행됨에 따라 연료 전달(스로틀 링 없음)에 의한 전력 출력을 제어하고 고 압축비를 유지하는 기능을 유지하면서 연료와 공기의 일부 프리믹스를 향상시키는 것이 가능하다는 것이 입증되었습니다. 이 목표를 달성하기 위하여 채택된 다양한 전략이 있다. 하나는 반응성 제어 압축 점화로 널리 알려진 이중 연료를 사용하는 것입니다. 예를 들어,연료(예:가솔린,에탄올 또는 이와 유사한 연료)는 연소실에 기본 에너지 원으로 주입되고 매우 적은 양의 고 반응성 연료(예:디젤,바이오 디젤 등)가 연소실에 주입됩니다.). 이 피크 연소 온도를 감소시키고 효율을 향상 린 엔진을 실행할 수있는 능력을 허용 할뿐만 아니라 실화를 방지하고 높은 견고성을 유지하기 위해 긍정적 인 점화 전략을 제공 할뿐만 아닙니다. 연구엔진에서는 매우 높은 수준의 효율(주로 기존 디젤 연소에 비해 열 전달이 더욱 감소함)을 달성하고 견고성을 제어할 수 있는 기회를 보여주었습니다. 실린더 당 2 개의 인젝터(각 연료 당 1 개)와 2 개의 분리 된 연료를 운반하거나 저 반응성 연료(카란 외)에 대한 반응성 향상 첨가제를 운반해야한다는 요구 사항입니다., 2013).

엔진 세계에서 또 다른 흥미로운 기회는 상당히 낮은 반응성 연료(가솔린,나프타 등)를 사용하는 것입니다.)디젤에 비해 여전히 압축 점화 아키텍처 엔진을 사용하고 이러한 연료의 긴 점화 지연을 활용하여 부하 제어를 제공하기에 충분한 계층화를 유지하면서 일정 수준의 사전 혼합을 제공합니다(칼가 기 외., 2007). 가솔린 압축 점화 또는 부분적으로 미리 혼합 된 압축 점화는 이중 연료를 사용하는 것과 동일한 목표를 달성하려고 시도하지만 하나의 연료를 정확한 방식으로 계층화함으로써 그렇게하려고합니다. 이 점화 제어는 특정 시간에 고 반응성 연료를 긍정적으로 첨가하는 것이 아니라 끊임없이 변화하는 지역 연료/공기 혼합 특성에 의존하기 때문에 점화 제어에 비해 상당히 어려울 수 있습니다. 장점은 실린더 당 하나의 연료와 하나의 인젝터 만 필요하다는 것입니다.

각 사례에서,의도는 오후 수준이 낮도록 충분한 사전 혼합이 이루어지도록 하고,연소를 2000 천개 이하의 최고 연소 온도를 유지하기에 충분히 희박 또는 묽게 하여 열산소 생성을 피하도록 하는 것이다. 연소 및 점화에 대한 이러한 새로운 접근법의 견고성은 전 세계의 여러 연구 기관(요한슨 외. 2014;셀나우 외., 2014).

미래에는 무엇이 있을까?

적어도 2015 년 현재,상용차 및 오프 하이웨이 차량 시장에서 씨엔씨 엔진은 지배적인 위치를 차지하고 있다. 전 세계적으로 온실가스 배출 및 대기 질에 대한 규제 압력이 더 많이 적용됨에 따라 이러한 압력에 부응하기 위해 엔진이 계속 발전할 것입니다. 고에너지 연료 밀도와 고에너지 엔진 밀도의 조합,그리고 매우 낮은 제조비용은 동기와 고정식 전력 생산을 위한 대중적 솔루션이 될 것이다. 이 분야에서 효율성 향상,배출 감소,배출 관리 후 처리 기술 향상을 위한 흥미로운 연구가 진행 중이며 엄청난 진전이 이루어졌습니다. 그러나 세계 인구가 70 억 명을 넘어서고 개발 도상국의 권력 수요가 급증함에 따라 더 많은 진전이 필요합니다. 향후 수십 년 동안 교통 및 전력 문제를 해결하는 방법은 전 세계적으로 계속 증가하는 인구가 수용 할 수있는 거주 가능한 환경과 생활 수준을 유지하는 사회로서의 우리의 능력에 대한 분위기를 조성 할 것입니다.

이해 상충 성명

저자는 연구가 잠재적 이해 상충으로 해석 될 수있는 상업적 또는 재정적 관계가없는 상태에서 수행되었다고 선언합니다.

감사

제출 된 원고는 아르곤 국립 연구소(“아르곤”)의 운영자 인 유한회사 우치카고 아르곤에 의해 작성되었습니다. 아르곤,과학 실험실의 에너지 사무실의 미국 부,계약에 따라 운영 번호. 11357. 미국 정부는 자체 및 그 대신 행동하는 다른 사람을 위해,재생산,파생 작품을 준비,대중에게 사본을 배포하고,공개적으로 수행하고,또는 정부를 대신하여 공개적으로 표시하기 위해 상기 문서에서 유료 업 비 독점적,취소 불능 전세계 라이센스를 유지합니다. 이 재 게시 및 참조에 의해 조건에 따라 다시 배포 할 수있는 다른 사람의 권리에 영향을 미치지 않습니다(www.creativecommons.org).저자는 씨 구 프릿 싱에 의해 관리 차량 기술,고급 엔진 연소 프로그램의 에너지 사무실의 부서의 재정 지원을 인정하고 싶습니다.