Frontiers In Mechanical Engineering

Introduksjon Og Kort Historie Av Kompresjonstenningsmotorer

helt Siden Rudolf Diesel oppfant forbrenningsmotoren som til slutt ville bære hans navn, har kompresjonstenning blitt brukt som et effektivt og effektivt middel for å starte forbrenning i motorer. Diesel brukte vegetabilske oljer til å oppfinne sin nye motor, siden det ikke var noen petroleumsinfrastruktur for drivstoff på den tiden. Høy kompresjonsforhold for å skape trykk og temperatur som kreves for automatisk tenning var et kjennetegn på kompresjonstenningsmotoren. En mekanisme for å injisere drivstoff direkte inn i forbrenningskammeret var også nødvendig. Etter hvert ble en infrastruktur av petroleumsdestillater tilgjengelig for drivstoff som bensin (for å støtte gnisttenningsmotorer), parafin og drivstoffolje (oppvarming av boliger), og selvfølgelig diesel (Heywood, 1988).

fordelene ved å bruke kompresjonstenning og direkte injeksjon av drivstoff inn i forbrenningskammeret viste seg i løpet av de neste tiårene av utviklingen. Kompresjonstenningsmotoren trenger iboende et høyt kompresjonsforhold for å skape de nødvendige forholdene for automatisk tenning. Høy kompresjonsforhold er en designkarakteristikk for å forbedre effektiviteten. I tillegg trengte kompresjonstenningen ingen gasspjeld for å kontrollere motorens effekt. Direkte injeksjon av drivstoffet i forbrenningskammeret ga høy motstand mot å banke, noe som begrenser kompresjonsforholdet og til slutt effektiviteten til gnisttenningsmotorer. En ekstra fordel er at kompresjonstenningsmotorer uten noen knockbegrensning kan ha generøs inntakstrykkøkning ved turbolading, ytterligere økt effektivitet og effekttetthet.

Underveis ble mange teknologiske hindringer oppstått og overvunnet – for eksempel evnen til å fremstille stempler og sylinderhoder som robust kunne oppnå de høye komprimeringsforholdene som trengs for diesel auto-tenning, forkamre som kunne utnytte de relativt lavtrykksinjektorene som er tilgjengelige i høykompresjonsforholdet fullt forbrenningskammer, ny drivstoffinnsprøytningsteknologi med svært høytrykksbrensel for å eliminere behovet for forkamre og tillate direkte injeksjon i forbrenningskammeret, og til slutt elektroniske kontroller og aktuatorer for å gi mye mer nøyaktig drivstoff -, luft-og utslippskontroll for å møte de strenge kravene til utslippsregulering.

Nåværende Tilstand Av Kompresjonstenningsmotorer

Kompresjonstenningsmotorer brukes i en rekke kommersielle og forbrukerapplikasjoner rundt om i verden, og driver enheter som store skip, lokomotiver, kommersielle lastebiler, bygg-og landbruksutstyr, kraftgeneratorer og til og med biler. Nesten utelukkende bruker disse applikasjonene diesel til forbrenning. En dieselmotor er avhengig av den enkle auto-tenningen av drivstoffet, en kjemisk egenskap ingeniører kaller cetantall / indeks – en empirisk avledet metrisk som beskriver den enkle auto-tenningen av drivstoffet. Biodiesel brukes også i mange applikasjoner, spesielt i landlige områder og i utviklingsland. Biodiesel er vanligvis laget av vegetabilske oljer som har blitt kjemisk behandlet for å fjerne glycerinprodukter, og etterlater en fettsyremetyl (eller etyl) ester (FAME). Biodiesel forsøke å etterligne egenskapene til diesel og, mens de kan brukes som en ryddig drivstoff erstatning, de er vanligvis brukt som et blandemiddel med petroleum diesel.

det er to primære tilnærminger til kompresjonstenningsmotoren-totakts-og firetakts-arkitekturen. Svært store CI-motorer (spesielt skip og lokomotiv) har en tendens til å være totakts, hovedsakelig fordi motorhastigheten er begrenset til lave omdreininger per minutt (RPM). Totakts CI-motorer må ha en ekstern kilde til lufttilførsel, for eksempel en turbolader eller supercharger (eller en hybrid av begge i noen tilfeller) fordi luften presses inn i sylinderen via porter i sylinderforingen. Figur 1 viser denne konfigurasjonen. Eksos er enten utvist gjennom et annet sett av porter (gnist antent versjon) eller gjennom poppet ventiler i topplokk (Se Figur 1). Inntaksluftportene i sylinderforingen åpnes når stempelet faller under dem i strømslaget, slik at trykket, kjølig luft inn i sylinderen. Når stempelhodene mot BDC i strømslaget, begynner eksosventilene i sylinderhodet å åpne og den varme eksosen begynner å forlate sylinderen via de toppmonterte eksosventilene. Når stempelet fortsetter å lede mot BDC, åpner inntaksportene i sylinderforingen, slik at frisk luft kommer inn i sylinderen, noe som tvinger den siste av eksosen ut de øverste eksosventilene. Denne renseprosessen fortsetter til eksosventilene lukkes (en gang rundt stempelposisjonen VED BDC). Inntaksportene er fortsatt åpne, så frisk luft fortsetter inn i sylinderen fra blåseren, til stempelet passerer toppen av inntaksportene på foringen, og fanger luften i sylinderen. Deretter oppvarmes denne luften og trykkes til stempelet er nær TDC. Drivstoffinnsprøytningen skaper en høytrykksspray i den varme, komprimerte luften, noe som forårsaker automatisk tenning og forbrenning. Syklusen begynner deretter på nytt.

på den annen side virker en firetakts kompresjonstenningsmotor ved å induksjonere luft fra inntaksmanifolden inn i sylinderen under inntaksslaget, TDC TIL BDC (Se Figur 2), så lukkes inntaksventilene og stempelet beveger seg deretter tilbake mot TDC mens luften komprimeres til forhøyet temperatur og trykk. Injektoren sprøyter drivstoff inn i forbrenningskammeret, tenning oppstår og stempelet presses nedover ved høyt trykk på grunn av forbrenning i det som kalles strømslaget. Til slutt åpnes eksosventilene og stempelet går tilbake TIL TDC og tvinger eksosforbrenningsproduktene ut i eksosslaget. Syklusen gjentas deretter herfra.

uansett om motoren er to – eller firetakts, er hensikten å skape høytrykks-og høytemperaturluft nær slutten av kompresjonsdelen av syklusen. Det injiserte drivstoffet blir så utsatt for høytrykks-og høytemperaturluften og antennes veldig raskt. Forsinkelsen mellom injeksjon av drivstoff og auto-tenning kalles som tenningsforsinkelse, som vanligvis er noen sveiv vinkler. Drivstoff fortsetter å bli injisert som en stråle, som har en reaksjonssone på periferien av strålen, og reaksjonen styres av diffusjon av luft inn i reaksjonssonen kombinert med diffusjon av drivstoff utover til reaksjonssonen. Denne diffusjonsprosessen skjer i millisekunder, mens de faktiske reaksjonene oppstår på mikrosekundens tidsskala, slik at væskemekanikken til diffusjon styrer reaksjonshastigheten.

Betydelig forskningsinnsats har blitt brukt til å studere veier for å forbedre effektiviteten, utslippssignaturen, påliteligheten og effekten AV CI-motorer. Produksjonsbedrifter, universiteter og forskningslaboratorier har alle lånt sin kompetanse, utstyr og fasiliteter for å fremme CI-motorteknologi. Noen av disse fremskrittene inkluderer direkte injeksjon (di) for å eliminere behovet for forkammer og redusere varmeoverføring, optisk diagnostikk for å studere forurensningsdannelse i sylinder, avanserte beregningsmessige simuleringsfunksjoner for å forutsi og optimalisere CI-motorens ytelse, betydelig innsats for å forstå drivstoffkjemi og sammensetning for å skreddersy CI-motoroperasjon til lokalt tilgjengelige drivstoff. Som ingeniører og forskere fortsetter å bruke sin kompetanse til den grunnleggende studien AV CI – motorteknologi, er det liten tvil om at ytterligere fremskritt vil oppnås.

Hvordan Er CI-Motoren Forskjellig fra SI-Motoren?

DET er flere grunner TIL AT CI-motorer er så populære i kommersielle og industrielle applikasjoner. En viktig årsak er at den iboende drivstoffeffektiviteten TIL CI-motorer er høyere enn SI-motorer. Naturen av komprimering tenning gir noen viktige faktorer som gir høy drivstoffeffektivitet. En faktor er høy kompresjonsforhold (Gill et al., 1954). SIDEN CI-motorer er avhengige av drivstoff injisert i sylinderen og blanding av dette drivstoffet med luften, unngås motor knock. Motor knock er en av de primære begrensninger til høyere kompresjonsforhold I si motorer. Den andre faktoren er eliminert behovet for gasspjeld motoren for å kontrollere effekten. Igjen, fordi drivstoffet injiseres direkte og blandes i forbrenningskammeret, KAN CI-motoreffekten styres bare ved å justere mengden drivstoff som injiseres, i motsetning TIL si-motorer hvor drivstoff og luft er forblandet og i det vesentlige homogene ved et konstant blandingsforhold (Heisler, 1999). Dette betyr at for å holde blandingsforholdet konstant, hvis drivstoffet reduseres, må luften også reduseres i samme forhold. Denne styringen av luft gjøres med en gasspjeld eller inntaksbegrensning, og det skaper betydelig gassutveksling eller» pumping » tap. Den tredje faktoren er varmeoverføring. CI-motorer er i stand til å kjøre «fuel lean», noe som betyr at motoren bruker alt drivstoffet, men ikke alt oksygen som er tilstede i forbrenningskammeret. Dette har en tendens til å produsere lavere sylindertemperaturer og som et resultat lavere varmeavvisning til motorens kjølevæske og motorutslipp og høyere effektivitet. Som en ekstra fordel, gamma, eller forholdet mellom spesifikke varmer Cp / Cv er høyere for lean burn motorer enn for motorer som opererer på støkiometri. Mindre av den termiske energien som genereres av forbrenningsreaksjonene går tapt i eksitasjonstilstandene til større triatomiske arter(CO2 og H2O damp). Dette betyr at mer av termisk energi er tilgjengelig for å øke trykk og temperatur på arbeidsfluidet, noe som skaper arbeid som kan trekkes ut (Foster, 2013).

det er imidlertid også flere ulemper MED CI-motoren som er verdt å nevne. CI-motoren må være konstruert for å være svært robust for å håndtere de forhøyede trykk og temperaturer skapt av høykompresjonsforhold og økt inntakstrykk. Dette gir motordesign som har høy rotasjons treghet og deretter begrenser maksimal motorturtall. Det øker også kostnadene, siden all maskinvare må være veldig holdbar. EN annen ulempe FOR CI-motorer er utslippssignaturen. Avhengigheten av diffusjonsstyrt forbrenning betyr at det er betydelig stratifisering mellom drivstoff og luft, i motsetning til homogeniteten av bensin/luftblandinger i si-motorer. Denne stratifiseringen skaper partikler (PM) og nitrogenoksider (NOx). Disse uønskede PRODUKTER AV CI forbrenning har blitt oppdaget å være en helsefare og miljøskadelige. I hovedsak har den tradisjonelle CI-motoren ikke et effektivitetsproblem, det har et utslippsproblem.

Hva med Bioderiverte Drivstoff?

Mye av det nåværende og forutsigbare arbeidet i CI-motorer ser ut til å fokusere på bruk av alternative drivstoff eller til og med flere drivstoff i et forsøk på å beholde den høye effektiviteten (kanskje til og med forbedre den), men redusere den skadelige utslippssignaturen og klimagassproduksjonen betydelig. Bioderivert brensel er en populær tilnærming, spesielt i utviklingsøkonomier, for å motvirke klimagassutfordringen og kostnaden for petroleumsimport. Biodrivstoff er vanligvis laget av noen form for vegetabilsk olje og kjemisk behandlet for å skape et produkt som etterligner petroleum diesel på mange måter. Flere råstoffer har blitt benyttet på denne måten, avhengig av lokale vekstforhold og avlinger som trives under disse forholdene. Soyabønner, raps, palm frø, jatropha, og karanja oljer blant mange andre har blitt behandlet som drivstoff. Vanligvis er biodrivstoff av denne typen delt inn i kategorier, de oljer avledet fra spiselige planter og de som stammer fra ikke-spiselige planter. Kjemisk er drivstoffet avledet fra spiselige planter lettere og lavere kostnader for å behandle til drivstoff. Dette kan imidlertid også skape en» mat eller drivstoff » utfordring i lokaløkonomien. Ikke-spiselige planteavledede biodrivstoff er vanskeligere og dyrere å behandle, men har en tendens til å unngå «mat eller drivstoff» – vanskeligheten. En utfordring for tradisjonell biodieselbrensel er at drivstoffet selv inneholder oksygen som en del av sin struktur. Dette oksygenholdige drivstoffet vil ha betydelig redusert energiinnhold sammenlignet med petroleumsdiesel. Energiinnholdsreduksjoner er generelt i størrelsesorden 7-8 volumprosent sammenlignet med petroleumsdiesel. Dette fører til mer volum av drivstoff forbrukes for samme mengde energi levert. Nyere arbeid har blitt gjort med hensyn til alger-avledet eller algebrensel, som gir potensialet for mye større utbytte enn tradisjonelle biodrivstoff (Frashure et al., 2009). Et annet nylig forskningstema er opprettelsen av «fornybar» diesel fra hydrotermisk eller annen behandling av biomassemateriale for å trekke ut langkjedede hydrokarboner som ligner på petroleum dieselbrensel (Aatola et al., 2008). Fornybar diesel har ikke en tendens til å være oksygenert, så energiinnholdet har en tendens til å være det samme som for petroleumsdiesel. LIKEVEL bruker EN annen tilnærming til å skape diesel fra både fornybare og ikke-fornybare kilder en prosess som kalles Fischer–Tropsch (FT), såkalt etter de tyske oppfinnerne av denne prosessen i 1930s. FT brensel er avledet fra metan, forgasset kull eller forgasset biomasse for å skape langkjedede hydrokarboner egnet for bruk som drivstoff. Flere akronymer brukes for denne type drivstoff, avhengig av råstoffet. Gass-til-væske (GTL), kull-til-væske (CTL) og biomasse-til-væske (BTL) er noen av disse akronymer. FT-prosessen skaper ganske høy kvalitet dieselbrensel – høy cetan-vurdering, lav viskositet, ingen svovel og høyt energiinnhold-men prosessen er også komplisert og dyr, i hvert fall for tiden (Agarwal, 2004).

Hva Er Toppmoderne FOR CI-Motorer?

CI-motorer brukes over hele verden som kilder til motiv og stasjonær kraft. Som fremvoksende økonomier som India og Kina øker etterspørselen etter transport og elektrisk kraft for å møte økonomisk etterspørsel, er det alvorlige spørsmål om FREMTIDEN FOR CI-motorer i møte med stadig strengere miljøregulering, klimagassregulering og etterspørsel etter fossilt brensel. Er det strategier som vil tillate CI-motoren å utvikle seg for å møte disse nåværende og fremtidige markedskrav?

ved hjelp av tradisjonelt dieselbrensel har ingeniører gjort noen spennende fremskritt innen effektivitetsforbedring og utslippsreduksjon ved å bruke avansert injeksjonsteknologi som common rail høytrykkspumper, piezo-aktiverte drivstoffinjektorer, avansert turbomaskineri og spillvarmegjenvinning(termoelektrikum, etc.), og nær-eliminering av svovel i diesel. Drivstoff kan nå måles mye mer presist i forbrenningskammeret for å skape forbrenningshendelser som er jevnere og mindre forurensende. BRUKEN AV eksosresirkulasjon (EGR) har gjort det mulig for ingeniører å redusere oksygenkonsentrasjonen i inntaksluften, noe som gir lavere toppforbrenningstemperaturer med betydelige nox-reduksjoner. Fremskritt innen etterbehandling, som dieselpartikkelfilter (DPF), deNOx-katalysatorer (både selektiv katalytisk reduksjon og lean trap) og dieseloksidasjonskatalysatorer (DOC), brukes for tiden i moderne CI-motorer.

Pågående avansert forbrenningsarbeid har gitt spennende muligheter til forbedring AV CI-motorens effektivitet, samt betydelig forbedring i utslippssignaturen. Etter hvert som forskningen utvikler seg, har det vist seg at det er mulig å øke litt forblanding av drivstoff og luft, samtidig som evnen til å kontrollere effekten av drivstofflevering (ingen gasspjeld) og beholde høy kompresjonsforhold er mulig. Det finnes en rekke strategier som har vært ansatt for å oppnå disse målene. Den ene er bruken av dual fuel, populært kjent som reaktivitet kontrollert komprimering tenning (RCCI). I RCCI injiseres et lavreaktivitetsbrensel (som bensin, etanol eller lignende) i forbrenningskammeret som den primære energikilden og en svært liten mengde av et høyreaktivitetsbrensel(som diesel, biodiesel, etc.). Dette gir ikke bare muligheten til å kjøre motoren lean, noe som reduserer topp forbrenningstemperaturer og forbedrer effektiviteten, men gir også en positiv tenningsstrategi for å unngå feil og beholde høy robusthet. RCCI i forskning motorer har vist muligheten til å oppnå svært høye nivåer av effektivitet (hovedsakelig på grunn av ytterligere redusert varmeoverføring enn tradisjonell diesel forbrenning) og kontroll robusthet. Den primære ulempen FOR RCCI er kravet om to injektorer per sylinder (en for hvert drivstoff)og kravet om å enten bære to separate drivstoff eller bære et reaktivitetsforbedrende additiv for lavreaktivitetsbrenselet (Curran et al., 2013).

En annen spennende mulighet I VERDEN AV CI motorer er bruken av en ganske lav-reaktivitet drivstoff(bensin, nafta, etc.) sammenlignet med diesel, men fortsatt bruke en komprimering tenning arkitektur motor og utnytte den lange tenningen forsinkelse av disse drivstoff for å gi noen grad av forblanding samtidig beholde nok lagdeling for å gi last kontroll (Kalghatgi et al ., 2007). Bensin compression ignition (gci) eller delvis ferdigblandet compression ignition (ppci) forsøk på å oppnå samme mål som rccis bruk av dual fuel, men å gjøre det ved å stratifisere ett drivstoff på en presis måte. Denne tenningskontrollen kan være ganske utfordrende sammenlignet MED RCCI, siden DEN avhenger av de stadig skiftende lokale drivstoff – / luftblandingsegenskapene i stedet for positivt å legge til et brennstoff med høy reaktivitet på et bestemt tidspunkt. Fordelen er at bare ett drivstoff er nødvendig og en injektor per sylinder.

i hvert av tilfellene FOR RCCI og PPCI er hensikten å tillate nok forblanding for AT PM-nivåene skal være lave og å drive forbrenningen mager eller fortynnet nok til å opprettholde toppforbrenningstemperaturer under 2000k, og unngå termisk nox-produksjon. Robustheten i disse nye tilnærmingene til forbrenning og tenning er en utfordring som nærmer seg flere forskningsorganisasjoner rundt om i verden (Johansson et al., 2014; Selnau et al., 2014).

Hva Vil FREMTIDEN Bringe FOR CI-Motorer?

I hvert fall fra og med 2015 har CI-motorer en dominerende posisjon i markedet for nyttekjøretøy og off-highway kjøretøy. Etter hvert som mer regulatorisk press blir brukt over hele verden på klimagassutslipp og luftkvalitet, VIL CI-motorer fortsette å utvikle seg for å møte disse pressene. Kombinasjonen av høy energi tetthet av flytende brensel kombinert med høy effekt tetthet AV CI motorer og svært lave kostnader for produksjon vil fortsette å gjøre CI motorer en populær løsning for motiv og stasjonær kraftproduksjon. Spennende forskning har pågått på dette feltet for å forbedre effektiviteten, redusere utslippene, forbedre utslippskontrollen etterbehandlingsteknologi, og det er gjort store fremskritt. Enda mer fremgang er nødvendig, men som verdens befolkning hoder over 7 milliarder mennesker og etterspørselen etter kraft i utviklingsland skyrockets. Hvordan vi løser transport – og kraftutfordringer i de neste tiårene vil sette tonen for vår evne som samfunn til å opprettholde både et beboelig miljø og en levestandard som er akseptabel for en stadig økende befolkning over hele verden.

Interessekonflikt

forfatteren erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan tolkes som en potensiell interessekonflikt.

Bekreftelser

det innsendte manuskriptet er opprettet Av UChicago Argonne, LLC, Operatør Av Argonne National Laboratory («Argonne»). Argonne, EN US Department Of Energy Office Of Science laboratory, drives Under Kontrakt Nr. DE-AC02-06CH11357. Den AMERIKANSKE Regjeringen beholder for seg selv, og andre som handler på deres vegne, en betalt, ikke-eksklusiv, ugjenkallelig verdensomspennende lisens i nevnte artikkel for å reprodusere, forberede avledede verk, distribuere kopier til offentligheten og fremføre offentlig og vise offentlig, av Eller på Vegne av Regjeringen. Dette påvirker ikke andres rettigheter til å re-publisere og re-distribuere UNDER CC-BY vilkår (www.creativecommons.org). forfatteren ønsker å erkjenne økonomisk støtte Fra Department Of Energy Office Of Vehicle Technologies, Advanced Engine Combustion Program, administrert Av Mr. Gurpreet Singh.