Frontiers in Mechanical Engineering

wprowadzenie i Krótka historia silników wysokoprężnych

od kiedy Rudolf Diesel wynalazł silnik spalinowy, który ostatecznie nosi jego imię, zapłon wysokoprężny był wykorzystywany jako skuteczny i wydajny środek do inicjowania spalania w silnikach. Diesel wykorzystał oleje roślinne do wynalezienia swojego nowego silnika, ponieważ w tym czasie nie było infrastruktury paliwowej dla paliw. Wysoki stopień sprężania w celu wytworzenia ciśnienia i temperatury wymaganej do automatycznego zapłonu był cechą charakterystyczną silnika o zapłonie samoczynnym. Wymagany był również mechanizm bezpośredniego wtrysku paliwa do komory spalania. Z biegiem czasu Infrastruktura destylatów ropy naftowej stała się dostępna dla paliw takich jak benzyna (do obsługi silników z zapłonem iskrowym), Nafta i olej opałowy (ogrzewanie domów) i oczywiście olej napędowy (Heywood, 1988).

zalety stosowania zapłonu samoczynnego i bezpośredniego wtrysku paliwa do komory spalania potwierdziły się w ciągu następnych kilkudziesięciu lat jego rozwoju. Silnik wysokoprężny z natury potrzebuje wysokiego stopnia sprężania, aby stworzyć warunki niezbędne do automatycznego zapłonu. Wysoki stopień sprężania jest jedną z cech konstrukcyjnych poprawiających wydajność. Ponadto zapłon samoczynny nie wymagał dławienia, aby kontrolować moc wyjściową silnika. Bezpośredni Wtrysk paliwa do komory spalania zapewniał wysoką odporność na uderzenia, co ograniczało stopień sprężania i ostatecznie sprawność silników o zapłonie iskrowym. Dodatkową zaletą jest to, że bez żadnych ograniczeń knock, silniki wysokoprężne mogą mieć duży wzrost ciśnienia wlotowego przez Turbodoładowanie, dalsze zwiększenie wydajności i gęstości mocy.

po drodze napotkano i pokonano wiele przeszkód technologicznych – takich jak możliwość wytwarzania tłoków i głowic cylindrów, które mogłyby skutecznie osiągnąć wysokie współczynniki sprężania wymagane dla automatycznego zapłonu oleju napędowego, Komory wstępne, które mogłyby wykorzystać stosunkowo Niskociśnieniowe wtryskiwacze dostępne w pełnej komorze spalania o wysokim stopniu sprężania, nowa technologia wtrysku paliwa z bardzo wysokociśnieniowym paliwem, aby wyeliminować potrzebę stosowania komór wstępnych i umożliwić bezpośredni Wtrysk do komory spalania, a wreszcie elektroniczne elementy sterujące i siłowniki, aby zapewnić znacznie więcej możliwości precyzyjne sterowanie paliwem, powietrzem i emisjami, aby spełnić rygorystyczne wymagania przepisów dotyczących emisji.

obecny stan silników o zapłonie samoczynnym

silniki o zapłonie samoczynnym są stosowane w różnych zastosowaniach komercyjnych i konsumenckich na całym świecie, zasilając urządzenia takie jak duże statki, Lokomotywy, Ciężarówki handlowe, sprzęt budowlany i rolniczy, generatory prądu, a nawet samochody. Niemal wyłącznie te aplikacje wykorzystują olej napędowy do spalania. Silnik wysokoprężny opiera się na łatwości automatycznego zapłonu paliwa, inżynierowie właściwości chemicznych nazywają liczbę cetanową/indeks-empirycznie pochodną metryki, która opisuje łatwość automatycznego zapłonu paliwa. Biodiesle są również wykorzystywane w wielu zastosowaniach, zwłaszcza na obszarach wiejskich i w krajach rozwijających się. Biodiesle są zwykle wytwarzane z olejów roślinnych, które zostały chemicznie przetworzone w celu usunięcia produktów gliceryny, pozostawiając ester metylowy (lub etylowy) kwasu tłuszczowego (FAME). Biodiesle próbują naśladować właściwości oleju napędowego i chociaż mogą być stosowane jako czysty substytut paliwa, są zwykle stosowane jako środek mieszający z olejem napędowym z ropy naftowej.

istnieją dwa podstawowe podejścia do silnika wysokoprężnego – dwusuwowy i czterosuwowy. Bardzo duże silniki CI (w szczególności okrętowe i lokomotywowe) są zwykle Dwusuwowe, głównie dlatego, że prędkość obrotowa silnika jest ograniczona do niskich obrotów na minutę (RPM). Dwusuwowe silniki CI muszą mieć zewnętrzne źródło zasilania powietrzem, takie jak turbosprężarka lub doładowanie (lub hybryda obu w niektórych przypadkach), ponieważ powietrze jest wtłaczane do cylindra przez porty w tulei cylindrowej. Rysunek 1 przedstawia taką konfigurację. Wydech jest wydalany przez inny zestaw portów (wersja zapłonowa) lub przez zawory grzybkowe w głowicy cylindrów (patrz rysunek 1). Otwory powietrza wlotowego w tulei cylindrowej otwierają się, gdy tłok opada poniżej nich w skoku mocy, umożliwiając pod ciśnieniem, chłodne powietrze do cylindra. Gdy tłok kieruje się w kierunku BDC w skoku mocy, zawory wydechowe w głowicy cylindrów zaczynają się otwierać, a gorący wydech zaczyna opuszczać cylinder przez zamontowane na górze zawory wydechowe. Gdy tłok nadal zmierza w kierunku BDC, otwory wlotowe w tulei cylindrowej otwierają się, umożliwiając świeże powietrze do cylindra, co wymusza ostatnie z wydechów z górnych zaworów wydechowych. Ten proces oczyszczania trwa do zamknięcia zaworów wydechowych (czasami wokół pozycji tłoka w BDC). Otwory wlotowe są nadal otwarte, więc świeże powietrze dociera do cylindra z dmuchawy, aż tłok przejdzie przez górną część otworów wlotowych na wykładzinie, zatrzymując powietrze w cylindrze. Następnie powietrze to jest podgrzewane i pod ciśnieniem, aż tłok znajdzie się w pobliżu TDC. Wtryskiwacz paliwa wytwarza wysokociśnieniowy strumień do gorącego, sprężonego powietrza, powodując automatyczne zapłon i spalanie. Następnie cykl zaczyna się od nowa.

z drugiej strony, czterosuwowy silnik wysokoprężny działa poprzez indukcję powietrza z kolektora dolotowego do cylindra podczas suwu dolotowego, TDC do BDC (patrz rysunek 2), następnie zawory dolotowe zamykają się, a tłok przesuwa się z powrotem w kierunku TDC, sprężając powietrze do podwyższonej temperatury i ciśnienia. Wtryskiwacz rozpyla paliwo do komory spalania, następuje zapłon i tłok jest wymuszany w dół pod wysokim ciśnieniem z powodu spalania w tak zwanym skoku mocy. Wreszcie, zawory wydechowe otwierają się, a tłok powraca do TDC i wymusza produkty spalania spalin na zewnątrz w skoku wydechowym. Następnie cykl powtarza się stąd.

niezależnie od tego, czy silnik jest dwu – czy czterosuwowy, celem jest wytworzenie wysokociśnieniowego i wysokotemperaturowego powietrza pod koniec części sprężania cyklu. Wtryskiwane paliwo jest następnie poddawane działaniu powietrza o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze i bardzo szybko się zapala. Opóźnienie między wtryskiem paliwa a automatycznym zapłonem nazywa się opóźnieniem zapłonu, które zwykle ma kilka kątów korby. Paliwo jest nadal wtryskiwane jako strumień, który ma strefę reakcji na obwodzie strumienia, a reakcja jest kontrolowana przez dyfuzję powietrza do strefy reakcji połączoną z dyfuzją paliwa na zewnątrz do strefy reakcji. Ten proces dyfuzji zachodzi w milisekundach, podczas gdy rzeczywiste reakcje zachodzą w mikrosekundowej skali czasu, więc Mechanika płynów dyfuzji kontroluje szybkość reakcji.

znaczne wysiłki badawcze zostały wydatkowane na zbadanie ścieżek poprawy wydajności, sygnalizacji emisji, niezawodności i mocy wyjściowej silników CI. Firmy produkcyjne, uniwersytety i laboratoria badawcze użyczyły swojej wiedzy, sprzętu i urządzeń do rozwoju technologii silników CI. Niektóre z tych osiągnięć obejmują bezpośredni Wtrysk (DI) w celu wyeliminowania potrzeby stosowania komór wstępnych i zmniejszenia wymiany ciepła, diagnostykę optyczną w celu zbadania powstawania zanieczyszczeń w cylindrze, zaawansowane możliwości symulacji obliczeniowej w celu przewidywania i optymalizacji wydajności silnika CI, znaczny wysiłek w celu zrozumienia chemii paliwa i składu, aby dostosować pracę silnika CI do lokalnych dostępnych paliw. Ponieważ inżynierowie i naukowcy nadal wykorzystują swoją wiedzę specjalistyczną do podstawowych badań nad technologią silników CI, nie ma wątpliwości, że zostaną osiągnięte dodatkowe postępy.

czym różni się silnik CI od silnika SI?

istnieje kilka powodów, dla których silniki CI są tak popularne w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych. Jednym z ważnych powodów jest nieodłączna efektywność paliwowa silników o zapłonie samoczynnym jest wyższa niż w przypadku silników o zapłonie samoczynnym. Charakter zapłonu samoczynnego zapewnia kilka ważnych czynników, które pozwalają na wysoką oszczędność paliwa. Jednym z czynników jest wysoki współczynnik kompresji (Gill et al., 1954). Ponieważ silniki CI opierają się na wtrysku paliwa do cylindra i mieszaniu tego paliwa z powietrzem, unika się pukania silnika. Pukanie silnika jest jednym z podstawowych ograniczeń wyższego stopnia sprężania w silnikach SI. Drugim czynnikiem jest wyeliminowana potrzeba dławienia silnika w celu kontroli mocy wyjściowej. Ponownie, ponieważ paliwo jest bezpośrednio wtryskiwane i mieszane w komorze spalania, moc silnika CI może być kontrolowana jedynie poprzez regulację ilości wtryskiwanego paliwa, w przeciwieństwie do silników SI, w których paliwo i powietrze są wstępnie zmieszane i zasadniczo jednorodne przy stałym stosunku mieszanki (Heisler, 1999). Oznacza to, że aby utrzymać stały stosunek mieszanki, w przypadku zmniejszenia paliwa, powietrze musi być również zmniejszone w tej samej proporcji. To zarządzanie powietrzem odbywa się za pomocą przepustnicy lub ograniczenia wlotu, co powoduje znaczne straty w wymianie gazu lub „pompowaniu”. Trzecim czynnikiem jest wymiana ciepła. Silniki CI są w stanie uruchomić „chudego paliwa”, co oznacza, że silnik zużywa całe paliwo, ale nie cały tlen obecny w komorze spalania. Prowadzi to do obniżenia temperatury w cylindrach, a co za tym idzie, mniejszego odrzucania ciepła do chłodziwa silnika i spalin silnika oraz wyższej sprawności. Jako dodatkową korzyść, gamma, lub stosunek specyficznych ciepła CP / Cv jest wyższy dla silników lean burn niż dla silników, które działają w stechiometrii. Mniej energii cieplnej generowanej przez reakcje spalania jest tracone w Stanach wzbudzenia większych gatunków trójatomowych (pary CO2 i H2o). Oznacza to, że więcej energii cieplnej jest dostępne do podniesienia ciśnienia i temperatury płynu roboczego, co tworzy pracę, która może być pobierana (Foster, 2013).

jednak jest też kilka wad silnika CI, które warto wspomnieć. Silnik CI musi być skonstruowany tak, aby był bardzo wytrzymały, aby wytrzymać podwyższone ciśnienie i temperaturę spowodowane wysokim współczynnikiem sprężania i zwiększonym ciśnieniem wlotowym. W ten sposób powstają konstrukcje silników o dużej bezwładności obrotowej, a następnie ogranicza się maksymalną prędkość obrotową silnika. Podnosi również koszty, ponieważ cały sprzęt musi być bardzo trwały. Inną Wadą silników CI jest sygnatura emisji. Poleganie na kontrolowanym spalaniu dyfuzyjnym oznacza, że istnieje znaczna rozwarstwienie między paliwem a powietrzem, w przeciwieństwie do jednorodności mieszanin Benzyna/powietrze w silnikach SI. Ta stratyfikacja tworzy cząstki stałe (PM) i tlenki azotu (NOx). Okazało się, że te niepożądane produkty spalania CI stanowią zagrożenie dla zdrowia i są szkodliwe dla środowiska. Zasadniczo tradycyjny silnik CI nie ma problemu z wydajnością, ma problem z emisjami.

a co z biopaliwami?

większość obecnych i przewidywalnych prac w silnikach o zapłonie samoczynnym wydaje się skupiać na wykorzystaniu paliw alternatywnych, a nawet wielu paliw w celu utrzymania wysokiej sprawności (być może nawet jej poprawy), a jednocześnie znacznego zmniejszenia emisji szkodliwych i produkcji gazów cieplarnianych. Biopaliwa są popularnym podejściem, zwłaszcza w gospodarkach rozwijających się, aby przeciwdziałać wyzwaniom związanym z gazem cieplarnianym i kosztom importu ropy naftowej. Biopaliwa są zwykle wytwarzane z pewnego rodzaju oleju roślinnego i przetwarzane chemicznie w celu stworzenia produktu, który naśladuje olej napędowy z ropy naftowej na wiele sposobów. W ten sposób wykorzystano kilka surowców, w zależności od lokalnych warunków uprawy i upraw, które rozwijają się w tych warunkach. Olej sojowy, rzepakowy, palmowy, jatropha i karanja są przetwarzane jako paliwa. Ogólnie biopaliwa tego typu dzieli się na kategorie: oleje pochodzące z roślin jadalnych oraz oleje pochodzące z roślin niejadalnych. Chemicznie paliwo pochodzące z roślin jadalnych jest łatwiejsze i tańsze w przetwarzaniu na paliwa. Może to jednak również stanowić wyzwanie dla lokalnej gospodarki. Niejadalne biopaliwa pochodzenia roślinnego są trudniejsze i droższe w przetwarzaniu, ale zwykle unikają trudności związanych z” żywnością lub paliwem”. Jednym z wyzwań dla tradycyjnego paliwa biodiesla jest to, że samo paliwo zawiera tlen jako część jego struktury. To natlenione paliwo będzie miało znacznie mniejszą zawartość energii w porównaniu do oleju napędowego z ropy naftowej. Redukcja zawartości energii jest zwykle rzędu 7-8% objętościowo w porównaniu do oleju napędowego z ropy naftowej. Prowadzi to do większej ilości zużywanego paliwa przy takiej samej ilości dostarczanej energii. Nowsze prace zostały wykonane w odniesieniu do paliw pochodzących z glonów lub glonów, które oferują potencjał znacznie większy niż tradycyjne biopaliwa (Frashure et al., 2009). Innym ostatnim tematem badawczym jest stworzenie „odnawialnego” oleju napędowego z hydrotermalnego lub innego przetwarzania materiału biomasy w celu wydobycia długołańcuchowych węglowodorów podobnych do oleju napędowego z ropy naftowej(aatola et al., 2008). Odnawialny olej napędowy nie jest zwykle natleniony, więc zawartość energii jest taka sama jak w przypadku oleju napędowego z ropy naftowej. Jednak inne podejście do tworzenia oleju napędowego ze źródeł odnawialnych i nieodnawialnych wykorzystuje proces zwany Fischer-Tropsch (FT), tak zwany po niemieckich wynalazców tego procesu w 1930 roku. paliwa FT pochodzą z metanu, zgazowanego węgla lub zgazowanej biomasy, aby utworzyć długołańcuchowe węglowodory odpowiednie do stosowania jako paliwo. Dla tego rodzaju paliwa stosuje się kilka akronimów, w zależności od surowca. Gas-to-liquid (GTL), coal-to-liquid (CTL), i biomasa-to-liquid (BTL) to kilka z tych akronimów. Proces FT tworzy dość wysokiej jakości olej napędowy-wysoki stopień cetanu, niska lepkość, brak siarki i wysoka zawartość energii – ale proces jest również skomplikowany i kosztowny, przynajmniej w chwili obecnej (Agarwal, 2004).

co jest najnowocześniejsze w silnikach CI?

silniki CI są wykorzystywane na całym świecie jako źródła napędu i mocy stacjonarnej. Ponieważ gospodarki wschodzące, takie jak Indie i Chiny, zwiększają popyt na transport i energię elektryczną, aby zaspokoić popyt gospodarczy, pojawiają się poważne pytania dotyczące przyszłości silników o zapłonie samoczynnym w obliczu coraz bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących ochrony środowiska, regulacji dotyczących gazów cieplarnianych i popytu na paliwa kopalne. Czy istnieją strategie, które pozwolą na ewolucję silnika CI, aby sprostać obecnym i przyszłym wymaganiom rynku?

korzystając z tradycyjnego oleju napędowego, inżynierowie dokonali ekscytujących postępów w poprawie wydajności i redukcji emisji, stosując zaawansowaną technologię wtrysku, taką jak Wysokociśnieniowe pompy common rail, wtryskiwacze paliwa uruchamiane piezoelektrycznie, zaawansowaną turbomachinery i odzysk ciepła odpadowego (termoelektryki itp.), a prawie-eliminacja siarki w oleju napędowym. Paliwo może być teraz znacznie precyzyjniej dozowane do komory spalania, aby uzyskać bardziej płynne i mniej zanieczyszczające procesy spalania. Zastosowanie recyrkulacji spalin (EGR) pozwoliło inżynierom zmniejszyć stężenie tlenu w powietrzu wlotowym, zapewniając niższe szczytowe temperatury spalania ze znacznym zmniejszeniem NOx. Postępy w oczyszczaniu spalin, takie jak filtry cząstek stałych (DPF), katalizatory deNOx (zarówno selektywna redukcja katalityczna, jak i lean trap) i katalizatory utleniania Diesla (DOC), są obecnie wykorzystywane w nowoczesnych silnikach CI.

ciągłe zaawansowane prace nad spalaniem stworzyły ekscytujące możliwości w zakresie poprawy wydajności silnika CI, a także znaczącej poprawy sygnalizacji emisji. W miarę postępów badań wykazano, że możliwe jest zwiększenie pewnego wstępnego mieszania paliwa i powietrza, przy jednoczesnym zachowaniu zdolności do kontrolowania mocy wyjściowej poprzez dostarczanie paliwa (bez dławienia) i zachowanie wysokiego stopnia sprężania. Istnieje wiele strategii, które zostały wykorzystane do osiągnięcia tych celów. Jednym z nich jest zastosowanie podwójnego paliwa, popularnie znanego jako reaktywność kontrolowanego zapłonu samoczynnego (RCCI). W RCCI paliwo o niskiej reaktywności (takie jak Benzyna, Etanol lub podobne) jest wtryskiwane do komory spalania jako podstawowe źródło energii i bardzo mała ilość paliwa o wysokiej reaktywności (takiego jak olej napędowy, biodiesel itp.). Pozwala to nie tylko na pracę silnika bez obciążenia, co obniża szczytowe temperatury spalania i poprawia wydajność, ale także zapewnia strategię zapłonu wymuszonego, aby uniknąć niewypałów i zachować wysoką wytrzymałość. RCCI w silnikach badawczych dowiodła możliwości osiągnięcia bardzo wysokiego poziomu sprawności (przede wszystkim dzięki jeszcze bardziej ograniczonemu przenoszeniu ciepła niż tradycyjne spalanie oleju napędowego) i odporności na sterowanie. Podstawową wadą RCCI jest wymóg dwóch wtryskiwaczy na cylinder (po jednym na każde paliwo) oraz wymóg posiadania dwóch oddzielnych paliw lub posiadania dodatku zwiększającego reaktywność dla paliwa o niskiej reaktywności (Curran et al., 2013).

kolejną ekscytującą szansą w świecie silników o zapłonie samoczynnym jest zastosowanie paliwa o dość niskiej reaktywności (Benzyna, Benzyna itp.) w porównaniu do oleju napędowego, ale nadal używają silnika o zapłonie samoczynnym i wykorzystują długie opóźnienie zapłonu tych paliw, aby zapewnić pewien poziom wstępnego mieszania, zachowując jednocześnie wystarczającą stratyfikację, aby zapewnić kontrolę obciążenia (Kalghatgi et al., 2007). Zapłon samoczynny benzyny (GCI) lub częściowo zmieszany zapłon samoczynny (PPCI) próbują osiągnąć ten sam cel, co stosowanie podwójnego paliwa przez RCCIs, ale robią to poprzez dokładne rozwarstwianie jednego paliwa. To sterowanie zapłonem może być dość trudne w porównaniu do RCCI, ponieważ zależy od stale zmieniających się lokalnych właściwości mieszania paliwa/powietrza, a nie dodatniego dodawania paliwa o wysokiej reaktywności w określonym czasie. Zaletą jest to, że wymagane jest tylko jedno paliwo i jeden wtryskiwacz na cylinder.

w każdym z przypadków RCCI i PPCI intencją jest umożliwienie wystąpienia wystarczającej ilości wstępnego mieszania, aby poziomy cząstek stałych były niskie i aby spalanie było na tyle chude lub rozcieńczone, aby utrzymać szczytową temperaturę spalania poniżej 2000 K, unikając wytwarzania termicznych NOx. Solidność tych nowych podejść do spalania i zapłonu jest wyzwaniem, które jest podchodzony przez kilka organizacji badawczych na całym świecie(Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

co przyniesie przyszłość dla silników CI?

co najmniej od 2015 r.silniki o zapłonie samoczynnym zajmują dominującą pozycję na rynku pojazdów użytkowych i terenowych. Ponieważ na całym świecie stosuje się większą presję regulacyjną w odniesieniu do emisji gazów cieplarnianych i jakości powietrza, silniki o zapłonie samoczynnym będą nadal ewoluować, aby sprostać tym presjom. Połączenie wysokiej gęstości energii paliw płynnych w połączeniu z wysoką gęstością mocy silników o zapłonie samoczynnym i bardzo niskimi kosztami produkcji sprawi, że silniki o zapłonie samoczynnym będą nadal popularnym rozwiązaniem do produkcji energii napędowej i stacjonarnej. Trwają ekscytujące badania w tej dziedzinie w celu poprawy wydajności, zmniejszenia emisji, poprawy technologii kontroli emisji oczyszczania spalin i poczyniono ogromny postęp. Potrzebny jest jednak jeszcze większy postęp, ponieważ liczba ludności na świecie przekracza 7 miliardów ludzi, a popyt na władzę w krajach rozwijających się gwałtownie rośnie. Sposób, w jaki rozwiązujemy wyzwania związane z transportem i energią w ciągu najbliższych kilku dekad, nada ton naszej zdolności jako społeczeństwa do utrzymania zarówno środowiska nadającego się do zamieszkania, jak i standardu życia, który jest akceptowalny dla stale rosnącej populacji na całym świecie.

Oświadczenie o konflikcie interesów

autor oświadcza, że badania zostały przeprowadzone przy braku jakichkolwiek relacji handlowych lub finansowych, które mogłyby być interpretowane jako potencjalny konflikt interesów.

podziękowania

nadesłany rękopis został stworzony przez UChicago Argonne, LLC, operatora Argonne National Laboratory („Argonne”). Argonne, Biuro Badań Naukowych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, działa na podstawie umowy nr DE-AC02-06CH11357. Rząd USA zachowuje dla siebie i innych osób działających w jego imieniu opłaconą niewyłączną, nieodwołalną ogólnoświatową licencję zawartą we wspomnianym artykule na powielanie, przygotowywanie dzieł pochodnych, rozpowszechnianie kopii publicznie oraz publiczne wykonywanie i wyświetlanie przez rząd lub w jego imieniu. Nie ma to wpływu na prawa innych osób do ponownego publikowania i ponownego rozpowszechniania na warunkach CC-BY (www.creativecommons.org autor pragnie wyrazić uznanie dla wsparcia finansowego Departamentu Energii biura technologii pojazdów, zaawansowanego programu spalania silnika, kierowanego przez Pana Gurpreet Singh.