frontiere în inginerie mecanică

introducere și scurtă istorie a motoarelor cu aprindere prin compresie

încă de când Rudolf Diesel a inventat motorul cu combustie internă care va purta în cele din urmă numele său, aprinderea prin compresie a fost utilizată ca un mijloc eficient și eficient de inițiere a arderii în motoare. Diesel a folosit uleiuri vegetale pentru a-și inventa noul motor, deoarece la acea vreme nu exista infrastructură petrolieră pentru combustibili. Raportul de compresie ridicat pentru a crea presiunea și temperatura necesare pentru autoaprindere a fost un semn distinctiv al motorului cu aprindere prin compresie. De asemenea, a fost necesar un mecanism pentru injectarea directă a combustibilului în camera de ardere. Odată cu trecerea timpului, o infrastructură de distilate de petrol a devenit disponibilă pentru combustibili precum benzina (pentru a sprijini motoarele cu aprindere prin scânteie), kerosen și păcură (încălzirea caselor) și, desigur, motorină (Heywood, 1988).

avantajele utilizării aprinderii prin compresie și injecției directe de combustibil în camera de ardere s-au evidențiat în următoarele decenii de dezvoltare. Motorul cu aprindere prin compresie are în mod inerent nevoie de un raport de compresie ridicat pentru a crea condițiile necesare pentru autoaprindere. Raportul de compresie ridicat este o caracteristică de proiectare pentru a îmbunătăți eficiența. În plus, aprinderea prin compresie nu a necesitat nicio limitare pentru a controla puterea motorului. Injecția directă a combustibilului în camera de ardere a oferit o rezistență ridicată la lovire, ceea ce limitează raportul de compresie și, în cele din urmă, eficiența motoarelor cu aprindere prin scânteie. Un avantaj suplimentar este că, fără nicio limitare a loviturii, motoarele cu aprindere prin compresie pot avea o creștere generoasă a presiunii de admisie prin turbocompresie, crescând în continuare eficiența și densitatea puterii.

de-a lungul drumului, au fost întâlnite și depășite multe obstacole tehnologice – cum ar fi capacitatea de a fabrica pistoane și chiulase care ar putea atinge în mod solid raporturile de compresie ridicate necesare pentru autoaprinderea diesel, pre-camere care ar putea folosi injectoarele de presiune relativ scăzute disponibile în camera de ardere completă cu raport de compresie ridicat, noua tehnologie de injecție a combustibilului cu combustibil de înaltă presiune pentru a elimina nevoia de pre-camere și pentru a permite injecția directă în camera de ardere și, în cele din urmă, comenzile și actuatoarele electronice pentru a oferi mult mai mult controlul precis al combustibilului, aerului și emisiilor pentru a satisface cerințele stricte ale reglementării emisiilor.

starea actuală a motoarelor cu aprindere prin compresie

motoarele cu aprindere prin compresie sunt utilizate într-o varietate de aplicații comerciale și de consum din întreaga lume, alimentând dispozitive precum nave mari, locomotive, camioane comerciale, echipamente pentru construcții și ferme, generatoare de energie și chiar automobile. Aproape exclusiv, aceste aplicații utilizează combustibil diesel pentru ardere. Un motor diesel se bazează pe ușurința de autoaprindere a combustibilului, o proprietate chimică pe care inginerii o numesc număr/indice cetanic-o metrică derivată empiric care descrie ușurința de autoaprindere a combustibilului. Biodieselurile sunt, de asemenea, utilizate în multe aplicații, în special în zonele rurale și în țările în curs de dezvoltare. Biodieselurile sunt, în general, fabricate din uleiuri vegetale care au fost prelucrate chimic pentru a elimina produsele de glicerină, lăsând un ester metil (sau etil) al acidului gras (FAME). Biodieselurile încearcă să imite proprietățile motorinei și, deși pot fi utilizate ca înlocuitor de combustibil îngrijit, sunt utilizate în general ca agent de amestecare cu motorina petrolieră.

există două abordări primare ale motorului cu aprindere prin compresie – arhitectura în doi timpi și cea în patru timpi. Motoarele CI foarte mari (în special nava și locomotiva) tind să fie în doi timpi, în primul rând pentru că turația motorului este limitată la rotații reduse pe minut (RPM). Motoarele CI în doi timpi trebuie să aibă o sursă externă de alimentare cu aer, cum ar fi un turbocompresor sau un supraalimentator (sau un hibrid al ambelor în unele cazuri), deoarece aerul este forțat în cilindru prin porturile din căptușeala cilindrului. Figura 1 prezintă această configurație. Evacuarea este fie expulzată printr-un set diferit de orificii (versiune aprinsă cu scânteie), fie prin supapele de tip poppet din chiulasă (a se vedea Figura 1). Orificiile de admisie a aerului din căptușeala cilindrului se deschid atunci când pistonul cade sub ele în cursa de putere, permițând aerului sub presiune și rece în cilindru. Pe măsură ce pistonul se îndreaptă spre BDC în cursa de putere, supapele de evacuare din chiulasă încep să se deschidă și evacuarea fierbinte începe să părăsească cilindrul prin supapele de evacuare montate deasupra. Pe măsură ce pistonul continuă să se îndrepte spre BDC, orificiile de admisie din căptușeala cilindrului se deschid, permițând aerului proaspăt în cilindru, ceea ce forțează ultima evacuare din supapele de evacuare superioare. Acest proces de curățare continuă până când supapele de evacuare se închid (cândva în jurul poziției pistonului la BDC). Orificiile de admisie sunt încă deschise, astfel încât aerul proaspăt continuă în cilindru din suflantă, până când pistonul trece prin partea superioară a orificiilor de admisie de pe căptușeală, prinzând aerul din cilindru. Apoi, acest aer este încălzit și presurizat până când pistonul este aproape de TDC. Injectorul de combustibil creează un spray de înaltă presiune în aerul cald, comprimat, provocând autoaprinderea și arderea. Ciclul începe apoi din nou.

pe de altă parte, un motor cu aprindere prin compresie în patru timpi funcționează prin introducerea aerului din galeria de admisie în cilindru în timpul cursei de admisie, TDC la BDC (vezi Figura 2), apoi supapele de admisie se închid și pistonul se deplasează înapoi spre TDC în timp ce comprimă aerul la temperatură și presiune ridicate. Injectorul pulverizează combustibilul în camera de ardere, are loc aprinderea și pistonul este forțat în jos la presiune ridicată datorită arderii în ceea ce se numește Cursa de putere. În cele din urmă, supapele de evacuare se deschid și pistonul revine la TDC și forțează produsele de ardere a gazelor de eșapament în cursa de evacuare. Ciclul se repetă apoi de aici.

indiferent dacă motorul este în doi sau patru timpi, intenția este de a crea aer de înaltă presiune și temperatură ridicată aproape de sfârșitul porțiunii de compresie a ciclului. Combustibilul injectat este apoi expus la aerul de înaltă presiune și temperatură ridicată și se aprinde automat foarte rapid. Întârzierea dintre injecția de combustibil și autoaprinderea se numește întârziere de aprindere, care este de obicei câteva unghiuri de manivelă. Combustibilul continuă să fie injectat ca un jet, care are o zonă de reacție la periferia jetului și reacția este controlată de difuzia aerului în zona de reacție cuplată cu difuzia combustibilului spre exterior în zona de reacție. Acest proces de difuzie are loc în milisecunde, în timp ce reacțiile reale apar pe intervalul de timp microsecundă, astfel încât mecanica fluidelor de difuzie controlează viteza de reacție.

s-au depus eforturi semnificative de cercetare pentru a studia căile de îmbunătățire a eficienței, semnăturii emisiilor, fiabilității și puterii motoarelor CI. Companiile de producție, universitățile și laboratoarele de cercetare și-au împrumutat expertiza, echipamentele și facilitățile pentru avansarea tehnologiei motorului CI. Unele dintre aceste progrese includ injecție directă (DI) pentru a elimina nevoia de pre-camere și pentru a reduce transferul de căldură, diagnostice optice pentru a studia formarea poluanților în cilindru, capacități avansate de simulare computațională pentru a prezice și optimiza performanța motorului CI, efort semnificativ pentru a înțelege chimia și compoziția combustibilului pentru a adapta funcționarea motorului CI la combustibilii disponibili local. Pe măsură ce inginerii și oamenii de știință continuă să-și aplice expertiza în studiul fundamental al tehnologiei motorului CI, nu există nicio îndoială că vor fi realizate progrese suplimentare.

cum este motorul CI diferit de motorul SI?

există mai multe motive pentru care motoarele CI sunt atât de populare în aplicațiile comerciale și industriale. Un motiv important este eficiența inerentă a combustibilului motoarelor CI este mai mare decât cea a motoarelor SI. Natura aprinderii prin compresie oferă câțiva factori importanți care permit o eficiență ridicată a combustibilului. Un factor este raportul de compresie ridicat (Gill și colab., 1954). Deoarece motoarele CI se bazează pe combustibilul injectat în cilindru și amestecarea acestui combustibil cu aerul, se evită lovirea motorului. Baterea motorului este una dintre limitările principale ale raportului de compresie mai mare la motoarele SI. Al doilea factor este nevoia eliminată de accelerare a motorului pentru a controla puterea. Din nou, deoarece combustibilul este injectat direct și amestecat în camera de ardere, puterea motorului CI poate fi controlată doar prin ajustarea cantității de combustibil injectat, spre deosebire de motoarele SI unde combustibilul și aerul sunt preamestecate și esențial omogene la un raport constant de amestec (Heisler, 1999). Aceasta înseamnă că, pentru a menține acel raport de amestec constant, dacă combustibilul este redus, aerul trebuie, de asemenea, redus în aceeași proporție. Această gestionare a aerului se face cu o accelerație sau restricție de admisie și creează pierderi semnificative de schimb de gaze sau „pompare”. Al treilea factor este transferul de căldură. Motoarele CI sunt capabile să funcționeze „combustibil slab”, ceea ce înseamnă că motorul consumă tot combustibilul, dar nu tot oxigenul prezent în camera de ardere. Acest lucru tinde să producă temperaturi mai scăzute în cilindru și, ca urmare, o respingere mai mică a căldurii la lichidul de răcire al motorului și la evacuarea motorului și o eficiență mai mare. Ca un beneficiu suplimentar, gama sau raportul dintre încălzirile specifice Cp / Cv este mai mare pentru motoarele cu ardere slabă decât pentru motoarele care funcționează la stoichiometrie. Mai puțină energie termică generată de reacțiile de ardere se pierde în stările de excitație ale speciilor triatomice mai mari (vapori de CO2 și H2O). Aceasta înseamnă că mai multă energie termică este disponibilă pentru a crește presiunea și temperatura fluidului de lucru, ceea ce creează lucrări care pot fi extrase (Foster, 2013).

cu toate acestea, există și câteva dezavantaje ale motorului CI care sunt demne de menționat. Motorul CI trebuie proiectat pentru a fi foarte robust pentru a face față presiunilor și temperaturilor ridicate create de raporturile de compresie ridicate și presiunile de admisie amplificate. Aceasta produce modele de motoare care au inerție de rotație ridicată și limitează ulterior turația maximă a motorului. De asemenea, crește costul, deoarece tot hardware-ul trebuie să fie foarte durabil. Un alt dezavantaj al motoarelor CI este semnătura emisiilor. Dependența de combustia controlată prin difuzie înseamnă că există o stratificare semnificativă între combustibil și aer, spre deosebire de omogenitatea amestecurilor benzină/aer din motoarele SI. Această stratificare creează particule (PM) și oxizi de azot (NOx). Aceste produse nedorite de ardere CI au fost descoperite a fi un pericol pentru sănătate și dăunătoare mediului. În esență, motorul tradițional CI nu are o problemă de eficiență, are o problemă de emisii.

cum rămâne cu combustibilii Bio-derivați?

o mare parte din activitatea actuală și previzibilă în motoarele CI pare să se concentreze pe utilizarea combustibililor alternativi sau chiar a combustibililor multipli într-un efort de a păstra eficiența ridicată (poate chiar să o îmbunătățească), dar să reducă semnificativ semnătura emisiilor nocive și producția de gaze cu efect de seră. Combustibilii bio-derivați reprezintă o abordare populară, în special în economiile în curs de dezvoltare, pentru a contracara provocarea gazelor cu efect de seră și costul importurilor de petrol. Biocombustibilii sunt în general fabricați dintr-un anumit tip de ulei vegetal și prelucrați chimic pentru a crea un produs care imită motorina petrolieră în multe feluri. Mai multe materii prime au fost utilizate în acest mod, în funcție de condițiile locale de creștere și de culturile care prosperă în aceste condiții. Soia, canola, semințele de palmier, uleiurile Jatropha și karanja, printre multe altele, au fost procesate ca combustibili. În general, biocombustibilii de acest tip sunt separați în categorii, acele uleiuri derivate din plante comestibile și cele derivate din plante necomestibile. Din punct de vedere chimic, combustibilul derivat din plante comestibile este mai ușor și mai ieftin de procesat în combustibili. Cu toate acestea, acest lucru poate crea și o provocare „alimentară sau combustibil” în economia locală. Biocombustibilii necombustibili derivați din plante sunt mai dificili și mai scumpi de procesat, dar tind să evite dificultatea „alimentelor sau combustibilului”. O provocare pentru combustibilul tradițional biodiesel este că combustibilul în sine conține oxigen ca parte a structurii sale. Acest combustibil oxigenat va avea un conținut de energie redus semnificativ în comparație cu motorina petrolieră. Reducerile de conținut energetic sunt, în general, de ordinul a 7-8% în volum, comparativ cu motorina petrolieră. Acest lucru duce la un volum mai mare de combustibil consumat pentru aceeași cantitate de energie livrată. S-au făcut lucrări mai recente cu privire la combustibilii derivați din alge sau alge, care oferă potențialul unui randament mult mai mare decât biocombustibilii tradiționali (Frashure și colab., 2009). Un alt subiect recent de cercetare este crearea de motorină „regenerabilă” din prelucrarea hidrotermală sau de altă natură a materialului de biomasă pentru a extrage hidrocarburi cu lanț lung similare cu motorina petrolieră (aatola și colab., 2008). Motorina regenerabilă nu tinde să fie oxigenată, astfel încât conținutul de energie tinde să fie același ca și pentru motorina petrolieră. Cu toate acestea, o altă abordare a creării motorinei atât din surse regenerabile, cât și din surse neregenerabile utilizează un proces numit Fischer-Tropsch (FT), așa–numit după inventatorii germani ai acestui proces în anii 1930. combustibilii FT sunt derivați din metan, cărbune gazificat sau biomasă gazificată pentru a crea hidrocarburi cu lanț lung adecvate pentru utilizare ca combustibil. Mai multe acronime sunt utilizate pentru acest tip de combustibil, în funcție de materia primă. Gaz-lichid (GTL), cărbune-lichid (CTL) și Biomasă-lichid (BTL) sunt câteva dintre aceste acronime. Procesul FT creează combustibil diesel de înaltă calitate – rating ridicat de cetan, vâscozitate scăzută, fără sulf și conținut ridicat de energie-dar procesul este, de asemenea, complicat și costisitor, cel puțin în prezent (Agarwal, 2004).

ce este de ultimă oră pentru motoarele CI?

motoarele CI sunt utilizate la nivel mondial ca surse de putere motorie și staționară. Pe măsură ce economiile emergente, cum ar fi India și China, își intensifică cererea de transport și energie electrică pentru a satisface cererea economică, există întrebări serioase cu privire la viitorul motoarelor CI în fața reglementărilor de mediu din ce în ce mai stricte, a reglementării gazelor cu efect de seră și a cererii de combustibili fosili. Există strategii care vor permite motorului CI să evolueze pentru a răspunde acestor cerințe actuale și viitoare ale pieței?

folosind combustibilul diesel tradițional, inginerii au făcut unele progrese interesante în îmbunătățirea eficienței și reducerea emisiilor prin utilizarea tehnologiei avansate de injecție, cum ar fi pompele de înaltă presiune common rail, injectoarele de combustibil piezo-acționate, turbomașina avansată și recuperarea căldurii reziduale (termoelectrice etc.), și aproape eliminarea sulfului în motorină. Combustibilul poate fi acum mult mai precis măsurat în camera de ardere pentru a crea evenimente de ardere mai fine și mai puțin poluante. Utilizarea recirculării gazelor de eșapament (EGR) a permis inginerilor să reducă concentrația de oxigen a aerului de admisie, oferind temperaturi de ardere de vârf mai mici, cu reduceri semnificative de NOx. Progresele în posttratare, cum ar fi filtre de particule diesel (DPF), catalizatori deNOx (atât reducere catalitică selectivă, cât și capcană slabă) și catalizatori de oxidare diesel (DOC), sunt utilizate în prezent în motoarele CI moderne.

lucrările avansate de ardere în curs de desfășurare au generat oportunități interesante în îmbunătățirea eficienței motorului CI, precum și îmbunătățirea semnificativă a semnăturii emisiilor. Pe măsură ce cercetările progresează, s-a demonstrat că este posibilă îmbunătățirea unor preamestecări de combustibil și aer, păstrând în același timp capacitatea de a controla puterea de ieșire prin livrarea combustibilului (fără limitare) și de a păstra un raport de compresie ridicat. Există o varietate de strategii care au fost folosite pentru a realiza aceste obiective. Unul este utilizarea combustibilului dual, cunoscut popular sub numele de aprindere prin compresie controlată de reactivitate (RCCI). În RCCI, un combustibil cu reactivitate scăzută (cum ar fi benzina, etanolul sau similar) este injectat în camera de ardere ca sursă primară de energie și o cantitate foarte mică de combustibil cu reactivitate ridicată (cum ar fi motorina, biodieselul etc.). Acest lucru nu numai că permite capacitatea de a rula motorul slab, ceea ce reduce temperaturile maxime de ardere și îmbunătățește eficiența, dar oferă, de asemenea, o strategie de aprindere pozitivă pentru a evita erorile și a păstra robustețea ridicată. RCCI în motoarele de cercetare a demonstrat oportunitatea de a atinge niveluri foarte ridicate de eficiență (în primul rând datorită transferului de căldură și mai redus decât arderea tradițională a motorinei) și robustețea controlului. Dezavantajul principal pentru RCCI este cerința a două injectoare pe cilindru (unul pentru fiecare combustibil) și cerința de a transporta doi combustibili separați sau de a transporta un aditiv de îmbunătățire a reactivității pentru combustibilul cu reactivitate scăzută (Curran și colab., 2013).

o altă oportunitate interesantă în lumea motoarelor CI este utilizarea unui combustibil cu reactivitate destul de scăzută (benzină, NAFTA etc.) în comparație cu motorina, dar utilizați în continuare un motor cu arhitectură de aprindere prin compresie și utilizați întârzierea lungă de aprindere a acestor combustibili pentru a oferi un anumit nivel de preamestecare, păstrând în același timp suficientă stratificare pentru a asigura controlul sarcinii (Kalghatgi și colab., 2007). Aprinderea prin compresie a benzinei (GCI) sau aprinderea prin compresie parțial premixată (PPCI) încearcă să atingă același obiectiv ca utilizarea rccis a combustibilului dublu, dar să facă acest lucru prin stratificarea unui combustibil într-o manieră precisă. Acest control al aprinderii poate fi destul de dificil în comparație cu RCCI, deoarece depinde de caracteristicile locale de amestecare a combustibilului/aerului în continuă schimbare, mai degrabă decât de adăugarea pozitivă a unui combustibil cu reactivitate ridicată la un moment dat. Avantajul este că este necesar un singur combustibil și un injector pe cilindru.

în fiecare dintre cazurile pentru RCCI și PPCI, intenția este de a permite o preamestecare suficientă pentru ca nivelurile de PM să fie scăzute și să opereze arderea suficient de slabă sau diluată pentru a menține temperaturile maxime de ardere sub 2000K, evitând producerea de NOx termic. Robustețea acestor noi abordări ale arderii și aprinderii este o provocare abordată de mai multe organizații de cercetare din întreaga lume (Johansson și colab., 2014; Sellnau și colab., 2014).

ce rezervă viitorul pentru motoarele CI?

cel puțin începând cu 2015, motoarele CI dețin o poziție dominantă pe piețele vehiculelor comerciale și off-highway. Pe măsură ce se aplică mai multă presiune de reglementare la nivel mondial asupra emisiilor de gaze cu efect de seră și a calității aerului, motoarele CI vor continua să evolueze pentru a face față acestor presiuni. Combinația dintre densitatea mare de energie a combustibililor lichizi cuplată cu densitatea mare de putere a motoarelor CI și costul de fabricație foarte scăzut vor continua să facă din motoarele CI o soluție populară pentru producția de energie motorie și staționară. Cercetări interesante au fost în curs de desfășurare în acest domeniu pentru a îmbunătăți eficiența, a reduce emisiile, a îmbunătăți tehnologia de posttratare a controlului emisiilor și s-au înregistrat progrese extraordinare. Cu toate acestea, este nevoie de mai multe progrese, deoarece populația lumii depășește 7 miliarde de oameni, iar cererea de energie electrică în țările în curs de dezvoltare crește. Modul în care rezolvăm provocările legate de transport și energie în următoarele câteva decenii va stabili tonul pentru capacitatea noastră ca societate de a menține atât un mediu locuibil, cât și un nivel de trai acceptabil pentru o populație în continuă creștere la nivel mondial.

Declarație privind conflictul de interese

autorul declară că cercetarea a fost realizată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

mulțumiri

manuscrisul trimis a fost creat de UChicago Argonne, LLC, Operator al Laboratorului Național Argonne („Argonne”). Argonne, un laborator al Departamentului Energiei din SUA, este operat în baza contractului nr. DE-AC02-06CH11357. Guvernul SUA păstrează pentru sine și pentru alții care acționează în numele său, o licență plătită neexclusivă, irevocabilă la nivel mondial în articolul menționat pentru a reproduce, pregăti lucrări derivate, distribui copii publicului și a efectua public și a afișa public, de către sau în numele Guvernului. Acest lucru nu afectează drepturile altora de a re-publica și re-distribui în conformitate cu termenii CC-BY (www.creativecommons.org). autorul ar dori să recunoască sprijinul financiar al Departamentului de energie al Biroului de tehnologii pentru vehicule, Programul Avansat de combustie a motorului, gestionat de Domnul Gurpreet Singh.