grenzen in de Werktuigbouwkunde

Inleiding en korte geschiedenis van compressieontstekingsmotoren

sinds Rudolf Diesel de verbrandingsmotor uitvond die uiteindelijk zijn naam zou dragen, wordt compressieontstekingsmotoren gebruikt als een effectief en efficiënt middel om verbranding in motoren in gang te zetten. Diesel gebruikte plantaardige oliën om zijn nieuwe motor uit te vinden, omdat er op dat moment geen aardolie-infrastructuur voor brandstoffen was. Hoge compressieverhouding om de druk en temperatuur te creëren die nodig zijn voor auto-ontsteking was een kenmerk van de compressieontstekingsmotor. Er was ook een mechanisme nodig om direct brandstof in de verbrandingskamer te injecteren. Naarmate de tijd vorderde, kwam er een infrastructuur van aardoliedestillaten beschikbaar voor brandstoffen zoals benzine (ter ondersteuning van motoren met vonkontsteking), kerosine en stookolie (verwarming van woningen) en natuurlijk diesel (heywood, 1988).

de voordelen van het gebruik van compressieontsteking en directe injectie van brandstof in de verbrandingskamer hebben zich in de komende decennia van zijn ontwikkeling bewezen. De compressieontstekingsmotor heeft inherent een hoge compressieverhouding nodig om de noodzakelijke voorwaarden voor auto-ontsteking te creëren. Hoge compressieverhouding is een ontwerpkenmerk om de efficiëntie te verbeteren. Bovendien had de compressieontsteking geen throttling nodig om het vermogen van de motor te regelen. Directe injectie van de brandstof in de verbrandingskamer zorgde voor een hoge weerstand tegen stoten, wat de compressieverhouding en uiteindelijk de efficiëntie van motoren met elektrische ontsteking beperkt. Een bijkomend voordeel is dat compressieontstekingsmotoren, zonder enige slagbeperking, een royale aanzuigdrukverhoging kunnen hebben door turbocompressoren, waardoor de efficiëntie en vermogensdichtheid verder toenemen.

Langs de weg, veel technologische problemen werden ondervonden en overwonnen – zoals de mogelijkheid om te fabriceren zuigers en cilinderkoppen dat kan aan de orde het bereiken van de hoge compressie ratio ‘ s nodig voor diesel auto-ontsteking, prechambers die kunnen profiteren van de relatief lage druk injectoren beschikbaar in de hoge compressieverhouding volledige verbrandingskamer, de nieuwe brandstof injectie technologie met zeer hoge druk brandstof te elimineren de noodzaak voor prechambers en directe injectie in de verbrandingskamer, en eindelijk, elektronische besturingen en aandrijvingen bieden veel meer nauwkeurige brandstof -, lucht-en emissiebeheersing om te voldoen aan de strenge eisen van de emissieverordening.

huidige staat van compressieontstekingsmotoren

compressieontstekingsmotoren worden gebruikt in een verscheidenheid van commerciële en consumententoepassingen over de hele wereld, voor het aandrijven van apparaten zoals grote schepen, locomotieven, commerciële vrachtwagens, bouw-en landbouwmaterieel, energiegeneratoren en zelfs auto ‘ s. Bijna uitsluitend gebruiken deze toepassingen diesel voor verbranding. Een dieselmotor is gebaseerd op het gemak van auto-ontsteking van de brandstof, een chemische eigenschap ingenieurs noemen cetaangetal/index – een empirisch afgeleide metriek die het gemak van auto-ontsteking van de brandstof beschrijft. Biodiesel wordt ook in veel toepassingen gebruikt, vooral op het platteland en in ontwikkelingslanden. Biodiesel wordt over het algemeen gemaakt van plantaardige oliën die chemisch zijn verwerkt om glycerine producten te verwijderen, waardoor een vetzuur methyl (of ethyl) ester (FAME) overblijft. Biodiesel probeert de eigenschappen van dieselbrandstof na te bootsen en hoewel ze als zuivere brandstofvervanger kunnen worden gebruikt, worden ze over het algemeen gebruikt als mengmiddel met petroleumdiesel.

er zijn twee primaire benaderingen van de compressieontstekingsmotor – de tweetakt-en de viertaktarchitectuur. Zeer grote compressieontstekingsmotoren (met name schepen en locomotieven) zijn meestal tweetakt, voornamelijk omdat het motortoerental beperkt is tot een laag toerental per minuut (tpm). Tweetakt compressieontstekingsmotoren moeten een externe luchttoevoerbron hebben, zoals een turbocompressor of supercharger (of in sommige gevallen een hybride van beide) omdat de lucht via poorten in de cilindervoering in de cilinder wordt gedwongen. Figuur 1 toont deze configuratie. De uitlaat wordt ofwel via een andere reeks poorten (vonk-versie) of via kleppen in de cilinderkop uitgestoten (zie Figuur 1). De inlaatluchtpoorten in de cilindervoering openen wanneer de zuiger onder hen in de macht slag valt, waardoor onder druk, koele lucht in de cilinder. Als de zuiger hoofden in de richting van BDC in de macht slag, de uitlaatkleppen in de cilinderkop beginnen te openen en de hete uitlaat begint de cilinder te verlaten via de top-gemonteerde uitlaatkleppen. Als de zuiger blijft hoofd naar BDC, de inlaat poorten in de cilindervoering open, waardoor verse lucht in de cilinder, die dwingt de laatste van de uitlaat uit de bovenste uitlaatkleppen. Dit afvangproces gaat door tot de uitlaatkleppen sluiten (ergens rond de zuigerpositie bij BDC). De inlaatpoorten zijn nog open, dus verse lucht blijft in de cilinder van de blower, totdat de zuiger passeert de bovenkant van de inlaatpoorten op de voering, het vangen van de lucht in de cilinder. Vervolgens wordt deze lucht verwarmd en onder druk gezet totdat de zuiger in de buurt van TDC is. De brandstofinjector zorgt voor een hogedrukspray in de hete perslucht, waardoor auto-ontsteking en verbranding ontstaan. De cyclus begint dan opnieuw.

anderzijds werkt een viertakt compressieontstekingsmotor door lucht van het inlaatspruitstuk in de cilinder te induceren tijdens de inlaatslag, TDC naar BDC (zie Figuur 2), vervolgens sluiten de inlaatkleppen en beweegt de zuiger vervolgens terug naar TDC terwijl de lucht tot verhoogde temperatuur en druk wordt samengedrukt. De injector spuit brandstof in de verbrandingskamer, ontsteking optreedt en de zuiger wordt gedwongen naar beneden bij hoge druk als gevolg van verbranding in wat wordt genoemd de krachtslag. Ten slotte openen de uitlaatkleppen en keert de zuiger terug naar TDC en dwingt de uitlaatverbrandingsproducten uit in de uitlaatslag. De cyclus herhaalt zich dan vanaf hier.

ongeacht of de motor twee-of viertakt is, is het de bedoeling om hogedruk-en hogetemperatuurlucht te creëren tegen het einde van het compressiegedeelte van de cyclus. De geïnjecteerde brandstof wordt dan blootgesteld aan de hoge druk en hoge temperatuur lucht en auto-ontbrandt zeer snel. De vertraging tussen de injectie van brandstof en de auto-ontsteking wordt genoemd als de ontsteking vertraging, die meestal een paar kruk hoeken. Brandstof wordt nog steeds geïnjecteerd als een straal, die een reactiezone aan de rand van de straal heeft en de reactie wordt geregeld door de diffusie van lucht in de reactiezone gekoppeld aan de diffusie van brandstof naar buiten de reactiezone. Dit verspreidingsproces komt in milliseconden voor, terwijl de daadwerkelijke reacties op de microseconde tijdschaal voorkomen, zodat controleert de vloeibare mechanica van verspreiding het tarief van reactie.

er zijn aanzienlijke onderzoeksinspanningen gedaan om trajecten te bestuderen om de efficiëntie, emissiesignatuur, betrouwbaarheid en vermogen van compressieontstekingsmotoren te verbeteren. Productiebedrijven, universiteiten en onderzoekslaboratoria hebben allemaal hun expertise, apparatuur en faciliteiten uitgeleend aan het bevorderen van CI-motortechnologie. Sommige van deze ontwikkelingen omvatten directe injectie (DI) om de noodzaak van voorkamers te elimineren en de warmteoverdracht te verminderen, optische diagnostiek om de vorming van verontreinigende stoffen in de cilinder te bestuderen, geavanceerde computationele simulatiemogelijkheden om CI-motorprestaties te voorspellen en te optimaliseren, aanzienlijke inspanning om de brandstofchemie en-samenstelling te begrijpen om CI-motorbedrijf aan te passen aan lokaal beschikbare brandstoffen. Als ingenieurs en wetenschappers blijven hun expertise toe te passen op de fundamentele studie van CI motortechnologie, is er weinig twijfel dat extra vooruitgang zal worden bereikt.

hoe verschilt de CI-motor van de SI-Motor?Er zijn verschillende redenen waarom compressieontstekingsmotoren zo populair zijn in commerciële en industriële toepassingen. Een belangrijke reden is dat de inherente brandstofefficiëntie van compressieontstekingsmotoren hoger is dan die van compressieontstekingsmotoren. De aard van compressieontsteking biedt een paar belangrijke factoren die een hoge brandstofefficiëntie mogelijk maken. Een factor is de hoge compressieverhouding (Gill et al., 1954). Aangezien CI-motoren afhankelijk zijn van brandstof die in de cilinder wordt geïnjecteerd en het mengen van deze brandstof met de lucht, wordt motorklop vermeden. Motor knock is een van de primaire beperkingen aan een hogere compressieverhouding in SI-motoren. De tweede factor is de geëlimineerde noodzaak voor het throttling van de motor om het vermogen te regelen. Nogmaals, omdat de brandstof direct wordt geïnjecteerd en gemengd in de verbrandingskamer, kan het motorvermogen van de CI worden geregeld door alleen de hoeveelheid brandstof die wordt geïnjecteerd aan te passen, in tegenstelling tot SI-motoren waar de brandstof en de lucht worden voorgemengd en in wezen homogeen bij een constante mengverhouding (Heisler, 1999). Dit betekent dat, om die mengverhouding constant te houden, als brandstof wordt verminderd, de lucht ook in dezelfde verhouding moet worden verminderd. Dit beheer van de lucht wordt gedaan met een gashendel, of inname beperking, en het creëert aanzienlijke gasuitwisseling of “pompen” verliezen. De derde factor is warmteoverdracht. CI motoren zijn in staat om “brandstof mager” wat betekent dat de motor verbruikt alle brandstof, maar niet alle zuurstof aanwezig in de verbrandingskamer. Dit heeft de neiging om lagere temperaturen in de cilinder en als gevolg, lagere warmteafstoting aan de motor koelvloeistof en motor uitlaat en een hoger rendement te produceren. Een bijkomend voordeel is dat de gamma, of Verhouding van specifieke verwarmingselementen Cp/Cv hoger is voor motoren met een magere verbranding dan voor motoren die met stoichiometrie werken. Minder van de thermische energie die door de verbrandingsreacties wordt opgewekt gaat verloren in de excitatietoestanden van Grotere triatomaire soorten (CO2 en H2o damp). Dit betekent dat er meer thermische energie beschikbaar is om de druk en temperatuur van de werkvloeistof te verhogen, wat werk oplevert dat kan worden geëxtraheerd (Foster, 2013).

er zijn echter ook een aantal nadelen aan de CI-motor die het vermelden waard zijn. De CI-motor moet zijn ontworpen om zeer robuust om te gaan met de verhoogde druk en temperaturen veroorzaakt door hoge compressieverhoudingen en verhoogde inlaatdrukken. Dit produceert motorontwerpen met een hoge rotatietraagheid en beperkt vervolgens het maximale motortoerental. Het verhoogt ook de kosten, omdat alle hardware zeer duurzaam moet zijn. Een ander nadeel van compressieontstekingsmotoren is de emissiehandtekening. De afhankelijkheid van diffusie gecontroleerde verbranding betekent dat er een aanzienlijke stratificatie is tussen de brandstof en de lucht, in tegenstelling tot de homogeniteit van benzine/luchtmengsels in SI-motoren. Deze stratificatie creëert deeltjes (PM) en stikstofoxiden (NOx). Deze ongewenste verbrandingsproducten zijn een gevaar voor de gezondheid en schadelijk voor het milieu gebleken. In wezen heeft de traditionele CI-Motor geen efficiëntieprobleem, maar een emissieprobleem.

hoe zit het met biobrandstoffen?

veel van de huidige en te verwachten werkzaamheden in compressieontstekingsmotoren lijken zich te richten op het gebruik van alternatieve brandstoffen of zelfs meerdere brandstoffen in een poging om het hoge rendement te behouden (misschien zelfs te verbeteren) maar toch de schadelijke emissiesignatuur en de productie van broeikasgassen aanzienlijk te verminderen. Biobrandstoffen zijn een populaire aanpak, vooral in ontwikkelingslanden, om het broeikasgasprobleem en de kosten van de invoer van aardolie het hoofd te bieden. Biobrandstoffen worden over het algemeen gemaakt van een soort plantaardige olie en chemisch verwerkt tot een product dat petroleumdiesel op vele manieren nabootst. Verschillende grondstoffen zijn op deze manier gebruikt, afhankelijk van de lokale groeiomstandigheden en de gewassen die onder die omstandigheden gedijen. Sojabonen, koolzaad, palmzaad, jatropha, en Karanja oliën onder vele anderen zijn verwerkt als brandstoffen. In het algemeen worden biobrandstoffen van dit type ingedeeld in categorieën, oliën die afkomstig zijn van eetbare planten en oliën die afkomstig zijn van niet-eetbare planten. Chemisch gezien is de brandstof afkomstig van eetbare planten gemakkelijker en goedkoper te verwerken tot brandstoffen. Dit kan echter ook leiden tot een” voedsel-of brandstofprobleem ” in de lokale economie. Niet-eetbare plantaardige biobrandstoffen zijn moeilijker en duurder te verwerken, maar voorkomen vaak het probleem van “voedsel of brandstof”. Een uitdaging voor traditionele biodieselbrandstof is dat de brandstof zelf zuurstof bevat als onderdeel van zijn structuur. Deze zuurstofrijke brandstof zal aanzienlijk minder energie dan petroleum diesel. De vermindering van de energie-inhoud ligt in het algemeen in de Orde van grootte van 7-8% in vergelijking met petroleumdiesel. Dit leidt tot meer volume brandstof verbruikt voor dezelfde hoeveelheid geleverde energie. Er is recenter werk verricht met betrekking tot algen-of algenbrandstoffen, die een veel grotere opbrengst kunnen opleveren dan traditionele biobrandstoffen (Frashure et al., 2009). Een ander recent onderzoeksthema is de creatie van” hernieuwbare ” diesel uit de hydrothermale of andere verwerking van biomassamateriaal om lange-ketenkoolwaterstoffen te extraheren die vergelijkbaar zijn met petroleum dieselbrandstof (Aatola et al., 2008). Hernieuwbare diesel heeft de neiging om niet te worden zuurstofrijk, dus de energie-inhoud heeft de neiging om hetzelfde te zijn als voor petroleum diesel. Toch maakt een andere benadering van het maken van dieselbrandstof uit zowel hernieuwbare als niet-hernieuwbare bronnen Gebruik van een proces genaamd Fischer–Tropsch (FT), zo genoemd naar de Duitse uitvinders van dit proces in de jaren 1930. ft brandstoffen worden afgeleid van methaan, vergaste steenkool, of vergaste biomassa om lange-keten koolwaterstoffen te creëren die geschikt zijn voor gebruik als brandstof. Verschillende acroniemen worden gebruikt voor dit type brandstof, afhankelijk van de grondstof. Gas-naar-vloeistof (GTL), steenkool-naar-vloeistof (CTL), en biomassa-naar-vloeistof (BTL) zijn een paar van deze acroniemen. Het FT-proces creëert vrij hoge kwaliteit dieselbrandstof-hoge cetaanwaarde, lage viscositeit, geen zwavel en hoge energie-inhoud-maar het proces is ook ingewikkeld en duur, althans op dit moment (Agarwal, 2004).

Wat is de stand van de techniek voor compressieontstekingsmotoren?Compressieontstekingsmotoren worden wereldwijd gebruikt als motor en stationair vermogen. Nu opkomende economieën zoals India en China hun vraag naar transport en elektriciteit opvoeren om aan de economische vraag te voldoen, zijn er ernstige vragen over de toekomst van compressieontstekingsmotoren in het licht van de steeds strengere milieuregelgeving, de regelgeving inzake broeikasgassen en de vraag naar fossiele brandstoffen. Zijn er strategieën waarmee de CI-motor kan evolueren om aan deze huidige en toekomstige marktvraag te voldoen?

door gebruik te maken van traditionele dieselbrandstof hebben ingenieurs een aantal boeiende vooruitgang geboekt op het gebied van efficiëntieverbetering en emissiereductie door gebruik te maken van geavanceerde injectietechnologie, zoals common rail hogedrukpompen, piëzo-aangedreven brandstofinjectoren, geavanceerde turbomachines en terugwinning van warmte uit afval (thermo-elektriciteit, enz.), en bijna-eliminatie van zwavel in dieselbrandstof. Brandstof kan nu veel nauwkeuriger in de verbrandingskamer worden gemeten om verbrandingsprocessen te creëren die soepeler en minder vervuilend zijn. Het gebruik van uitlaatgasrecirculatie (EGR) heeft ingenieurs in staat gesteld om de zuurstofconcentratie van de inlaatlucht te verminderen, waardoor lagere piekbrandtemperaturen met aanzienlijke NOx-reducties. Vooruitgang in de nabehandeling, zoals dieseldeeltjesfilters (DPF), denoxkatalysatoren (zowel selectieve katalytische reductie als lean trap) en DIESELOXIDATIEKATALYSATOREN (DOC), worden momenteel gebruikt in moderne compressieontstekingsmotoren.

de lopende werkzaamheden op het gebied van geavanceerde verbranding hebben interessante mogelijkheden opgeleverd voor de verbetering van het rendement van compressieontstekingsmotoren en een aanzienlijke verbetering van de emissiesignatuur. Naarmate het onderzoek vordert, is aangetoond dat het verbeteren van sommige voormengsels van brandstof en lucht, met behoud van de mogelijkheid om het vermogen te regelen door brandstoflevering (geen throttling) en behouden hoge compressieverhouding mogelijk is. Er zijn verschillende strategieën die zijn gebruikt om deze doelen te bereiken. Een daarvan is het gebruik van dual fuel, in de volksmond bekend als reactivity controlled compression ignition (RCCI). In RCCI wordt een brandstof met een lage reactiviteit (zoals benzine, ethanol of iets dergelijks) in de verbrandingskamer geïnjecteerd als primaire energiebron en een zeer kleine hoeveelheid brandstof met een hoge reactiviteit (zoals diesel, biodiesel, enz.). Dit zorgt niet alleen voor de mogelijkheid om de motor mager te laten lopen, wat de piekverbrandingstemperaturen verlaagt en de efficiëntie verbetert, maar biedt ook een strategie voor elektrische ontsteking om storingen te voorkomen en een hoge robuustheid te behouden. RCCI in onderzoeksmotoren heeft de mogelijkheid aangetoond om zeer hoge efficiëntieniveaus te bereiken (voornamelijk door nog minder warmteoverdracht dan traditionele dieselverbranding) en robuustheid te beheersen. Het belangrijkste nadeel voor RCCI is de eis van twee injectoren per cilinder (één voor elke brandstof) en de eis om twee afzonderlijke brandstoffen te vervoeren of een reactiviteitsbevorderend additief voor de brandstof met lage reactiviteit (Curran et al., 2013).

een andere interessante kans in de wereld van compressieontstekingsmotoren is het gebruik van een brandstof met een vrij lage reactiviteit (benzine, NAFTA, enz.) in vergelijking met diesel, maar nog steeds gebruik maken van een compressieontstekingsarchitectuurmotor en gebruik maken van de lange ontstekingsvertraging van deze brandstoffen om een bepaald niveau van voormenging te bieden, terwijl nog steeds voldoende stratificatie om de belasting te regelen (Kalghatgi et al., 2007). Gasoline compressieontsteking (GCI) of gedeeltelijk voorgemengde compressieontsteking (PPCI) proberen hetzelfde doel te bereiken als RCCIs gebruik van dual fuel, maar dit te doen door één brandstof nauwkeurig te stratiseren. Deze ontstekingsregeling kan een hele uitdaging zijn in vergelijking met RCCI, omdat het afhangt van de steeds veranderende lokale brandstof/lucht mengeigenschappen in plaats van het positief toevoegen van een hoge reactiviteit brandstof op een bepaald moment. Het voordeel is dat er slechts één brandstof en één injector per cilinder nodig is.

in elk van de gevallen voor RCCI en PPCI is het de bedoeling voldoende voormengsel toe te staan om de DEELTJESMATERIAALNIVEAUS laag te houden en de verbranding mager of verdund genoeg te laten werken om de piekverbrandingstemperaturen onder 2000K te houden, waarbij thermische NOx-productie wordt vermeden. De robuustheid van deze nieuwe benaderingen van verbranding en ontsteking is een uitdaging die wordt benaderd door verschillende onderzoeksorganisaties over de hele wereld (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

Hoe ziet de toekomst voor compressieontstekingsmotoren eruit?Ten minste vanaf 2015 hebben compressieontstekingsmotoren een machtspositie op de markt voor bedrijfsvoertuigen en terreinvoertuigen. Naarmate wereldwijd meer druk wordt uitgeoefend op de uitstoot van broeikasgassen en de luchtkwaliteit, zullen compressieontstekingsmotoren blijven evolueren om aan deze druk te voldoen. De combinatie van de hoge energiedichtheid van vloeibare brandstoffen in combinatie met de hoge vermogensdichtheid van compressieontstekingsmotoren en zeer lage productiekosten zal ervoor zorgen dat compressieontstekingsmotoren een populaire oplossing blijven voor motiverende en stationaire energieproductie. Er is op dit gebied opwindend onderzoek gaande om de efficiëntie te verbeteren, de emissies te verminderen, de emissiebeheersing nabehandelingstechnologie te verbeteren, en er is enorme vooruitgang geboekt. Er is echter nog meer vooruitgang nodig, aangezien de wereldbevolking meer dan 7 miljard mensen telt en de vraag naar macht in ontwikkelingslanden omhoogschiet. Hoe we transport-en energieuitdagingen in de komende decennia oplossen, zal de toon zetten voor ons vermogen als samenleving om zowel een bewoonbare omgeving als een levensstandaard te handhaven die aanvaardbaar is voor een steeds groeiende bevolking wereldwijd.

belangenconflict verklaring

de auteur verklaart dat het onderzoek werd uitgevoerd in afwezigheid van enige commerciële of financiële relaties die als een potentieel belangenconflict kunnen worden opgevat.

Dankbetuigingen

het ingediende manuscript is gemaakt door UChicago Argonne, LLC, exploitant van Argonne National Laboratory (“Argonne”). Argonne, een Amerikaanse Ministerie van energie Office of Science laboratory, wordt geëxploiteerd onder Contract No. DE-AC02-06CH11357. De Amerikaanse overheid behoudt voor zichzelf, en anderen die namens haar handelen, een betaalde niet-exclusieve, onherroepelijke wereldwijde licentie in genoemd artikel om te reproduceren, afgeleide werken voor te bereiden, kopieën te verspreiden aan het publiek, en uit te voeren en publiekelijk te tonen, door of namens de overheid. Dit doet geen afbreuk aan de rechten van anderen om opnieuw te publiceren en te distribueren onder CC-BY voorwaarden (www.creativecommons.org de auteur wil graag de financiële steun van het Ministerie van energie Office van voertuigtechnologieën, geavanceerde motorverbranding programma, beheerd door de Heer Gurpreet Singh erkennen.