gränser inom maskinteknik

introduktion och kort historia av kompressionständningsmotorer

ända sedan Rudolf Diesel uppfann förbränningsmotorn som så småningom skulle bära hans namn har kompressionständning använts som ett effektivt och effektivt sätt att initiera förbränning i motorer. Diesel använde vegetabiliska oljor för att uppfinna sin nya motor, eftersom det inte fanns någon petroleumsinfrastruktur för bränslen vid den tiden. Högkompressionsförhållande för att skapa det tryck och den temperatur som krävs för automatisk tändning var ett kännetecken för kompressionständningsmotorn. En mekanism för att direkt injicera bränsle i förbränningskammaren krävdes också. Med tiden blev en infrastruktur av petroleumdestillat tillgänglig för bränslen som bensin (för att stödja gnisttändningsmotorer), fotogen och eldningsolja (uppvärmning av bostäder) och naturligtvis dieselbränsle (Heywood, 1988).

fördelarna med att använda kompressionständning och direktinsprutning av bränsle i förbränningskammaren visade sig under de närmaste decennierna av dess utveckling. Kompressionständningsmotorn behöver i sig ett högt kompressionsförhållande för att skapa de nödvändiga förutsättningarna för automatisk tändning. Högkompressionsförhållande är en designkarakteristik för att förbättra effektiviteten. Dessutom behövde kompressionständningen ingen strypning för att styra motorns effekt. Direkt injektion av bränslet i förbränningskammaren gav hög motståndskraft mot knock, vilket begränsar kompressionsförhållandet och i slutändan effektiviteten hos gnisttändningsmotorer. En ytterligare fördel är att kompressionständningsmotorer utan någon knackningsbegränsning kan ha generöst inloppstryck genom turboladdning, vilket ytterligare ökar effektiviteten och effekttätheten.

längs vägen, många tekniska hinder påträffades och övervinnas-såsom förmågan att tillverka kolvar och topplock som robust kunde uppnå de höga kompressioner förhållanden som behövs för diesel Auto-tändning, förkammare som kunde utnyttja de relativt lågtrycks injektorer tillgängliga i högkompressionsförhållande full förbränningskammare, ny bränsleinsprutning teknik med mycket högtrycksbränsle för att eliminera behovet av förkammare och tillåta direkt injektion i förbränningskammaren, och slutligen, elektroniska kontroller och ställdon för att ge mycket mer exakta bränsle -, luft-och utsläppskontroller för att uppfylla de stränga kraven i utsläppsreglering.

nuvarande tillstånd för kompressionständningsmotorer

kompressionständningsmotorer används i en mängd olika kommersiella och konsumentapplikationer runt om i världen, som driver enheter som stora fartyg, lok, kommersiella lastbilar, Bygg-och jordbruksutrustning, kraftgeneratorer och till och med bilar. Nästan uteslutande använder dessa applikationer dieselbränsle för förbränning. En dieselmotor är beroende av att bränslet är lättantändat, en kemisk egenskapsingenjör kallar cetantal / index – en empiriskt härledd metrisk som beskriver hur lätt det är att antända bränslet. Biodiesel används också i många tillämpningar, särskilt på landsbygden och i utvecklingsländer. Biodiesel tillverkas vanligtvis av vegetabiliska oljor som har bearbetats kemiskt för att avlägsna glycerinprodukter och lämnar en fettsyrametyl (eller etyl) ester (FAME). Biodiesel försöker efterlikna egenskaperna hos dieselbränsle och medan de kan användas som en snygg bränsleersättning används de vanligtvis som blandningsmedel med petroleumdiesel.

det finns två primära tillvägagångssätt för kompressionständningsmotorn – tvåtakts-och fyrtaktsarkitekturen. Mycket stora CI-motorer (i synnerhet fartyg och lokomotiv) tenderar att vara tvåtakts, främst på grund av att motorvarvtalet är begränsat till låga varv per minut (RPM). Tvåtakts CI-motorer måste ha en extern källa för lufttillförsel, såsom en turboladdare eller kompressor (eller en hybrid av båda i vissa fall) eftersom luften tvingas in i cylindern via portar i cylinderfodret. Figur 1 visar denna konfiguration. Avgaserna utvisas antingen genom en annan uppsättning portar (gnistantändad version) eller genom poppventiler i cylinderhuvudet (se Figur 1). Inloppsluftportarna i cylinderfodret öppnas när kolven faller under dem i kraftslaget, vilket möjliggör trycksatt, kall luft in i cylindern. När kolven går mot BDC i kraftslaget börjar avgasventilerna i cylinderhuvudet öppna och det heta avgaserna börjar lämna cylindern via de toppmonterade avgasventilerna. När kolven fortsätter att gå mot BDC öppnas insugningsportarna i cylinderfodret, vilket tillåter frisk luft in i cylindern, vilket tvingar den sista av avgaserna ut de övre avgasventilerna. Denna rensningsprocess fortsätter tills avgasventilerna stängs (någon gång runt kolvpositionen vid BDC). Insugningsportarna är fortfarande öppna, så frisk luft fortsätter in i cylindern från fläkten tills kolven passerar toppen av insugningsportarna på fodret och fångar luften i cylindern. Sedan värms denna luft och trycksätts tills kolven är nära TDC. Bränsleinsprutaren skapar en högtrycksspray i den heta tryckluften, vilket orsakar automatisk tändning och förbränning. Cykeln börjar sedan på nytt.

å andra sidan fungerar en fyrtakts kompressionständningsmotor genom att inducera luft från insugningsgrenröret i cylindern under insugningsslaget, TDC till BDC (se Figur 2), sedan stängs insugningsventilerna och kolven rör sig sedan tillbaka mot TDC medan luften komprimeras till förhöjd temperatur och tryck. Injektorn sprutar bränsle in i förbränningskammaren, tändning uppstår och kolven tvingas nedåt vid högt tryck på grund av förbränning i det som kallas kraftslaget. Slutligen öppnas avgasventilerna och kolven återgår till TDC och tvingar avgasförbränningsprodukterna ut i avgaslaget. Cykeln upprepas sedan härifrån.

oavsett om motorn är två – eller fyrtakts, är avsikten att skapa högtrycks-och högtemperaturluft nära slutet av kompressionsdelen av cykeln. Det injicerade bränslet utsätts sedan för högtrycks-och högtemperaturluften och tänds automatiskt mycket snabbt. Fördröjningen mellan injektion av bränsle och auto-tändning kallas som tändningsfördröjningen, som vanligtvis är några vevvinklar. Bränsle fortsätter att injiceras som en stråle, som har en reaktionszon på strålens periferi och reaktionen styrs av diffusion av luft i reaktionszonen i kombination med diffusion av bränsle utåt till reaktionszonen. Denna diffusionsprocess sker i millisekunder, medan de faktiska reaktionerna uppträder på mikrosekundtidsskalan, så diffusionens fluidmekanik styr reaktionshastigheten.

betydande forskningsinsatser har använts för att studera vägar för att förbättra effektiviteten, utsläppssignaturen, tillförlitligheten och effekten hos CI-motorer. Tillverkningsföretag, universitet och forskningslaboratorier har alla lånat ut sin expertis, utrustning och anläggningar för att främja CI-motorteknik. Några av dessa framsteg inkluderar direktinsprutning (DI) för att eliminera behovet av förkammare och minska värmeöverföring, optisk diagnostik för att studera föroreningsbildning i cylindern, avancerade beräkningssimuleringsfunktioner för att förutsäga och optimera CI-motorprestanda, betydande ansträngningar för att förstå bränslekemi och komposition för att skräddarsy CI-motordrift till lokalt tillgängliga bränslen. Eftersom ingenjörer och forskare fortsätter att tillämpa sin expertis på den grundläggande studien av CI-motorteknik, är det ingen tvekan om att ytterligare framsteg kommer att uppnås.

Hur skiljer sig CI-motorn från SI-motorn?

det finns flera anledningar till att CI-motorer är så populära i kommersiella och industriella applikationer. En viktig orsak är den inneboende bränsleeffektiviteten hos CI-motorer är högre än för SI-motorer. Typen av kompressionständning ger några viktiga faktorer som möjliggör hög bränsleeffektivitet. En faktor är högkompressionsförhållande (Gill et al., 1954). Eftersom CI-motorer är beroende av bränsle som injiceras i cylindern och blandningen av detta bränsle med luften, undviks motorns knock. Motor knock är en av de primära begränsningarna till högre kompressionsförhållande i SI-motorer. Den andra faktorn är det eliminerade behovet av strypning av motorn för att styra effekten. Återigen, eftersom bränslet injiceras direkt och blandas i förbränningskammaren, kan CI-motoreffekten styras enbart genom att justera mängden bränsle som injiceras, till skillnad från SI-motorer där bränslet och luften är förblandade och väsentligen homogena vid ett konstant blandningsförhållande (Heisler, 1999). Detta innebär att för att hålla detta blandningsförhållande konstant, om bränslet reduceras, måste luften också minskas i samma proportion. Denna hantering av luft görs med en gasreglage eller insugningsbegränsning, och det skapar betydande gasutbyte eller ”pumpning” förluster. Den tredje faktorn är värmeöverföring. CI-motorer kan köra ”fuel lean” vilket innebär att motorn förbrukar allt bränsle men inte allt syre som finns i förbränningskammaren. Detta tenderar att producera lägre i-cylinder temperaturer och som ett resultat, lägre värmeavstötning till motorns kylvätska och motorns avgaser och högre effektivitet. Som en ytterligare fördel är gamma eller förhållandet mellan specifika värmer Cp / Cv högre för magra brännmotorer än för motorer som arbetar vid stökiometri. Mindre av den termiska energin som genereras av förbränningsreaktionerna förloras i excitationstillstånden hos större triatomiska arter (CO2 och H2O-ånga). Detta innebär att mer av den termiska energin är tillgänglig för att höja arbetsvätskans tryck och temperatur, vilket är det som skapar arbete som kan extraheras (Foster, 2013).

men det finns också flera nackdelar med CI-motorn som är värda att nämna. CI-motorn måste vara konstruerad för att vara mycket robust för att hantera de förhöjda tryck och temperaturer som skapas av höga kompressionsförhållanden och ökat insugningstryck. Detta ger motorkonstruktioner som har hög roterande tröghet och begränsar därefter den maximala motorvarvtalet. Det höjer också kostnaden, eftersom all hårdvara måste vara mycket hållbar. En annan nackdel med CI-motorer är utsläppssignaturen. Beroendet av diffusionsstyrd förbränning innebär att det finns betydande stratifiering mellan bränslet och luften, i motsats till homogeniteten hos bensin/luftblandningar i SI-motorer. Denna stratifiering skapar partiklar (PM) och kväveoxider (NOx). Dessa oönskade produkter av CI-förbränning har upptäckts vara en hälsorisk och miljöfarlig. I huvudsak har den traditionella CI-motorn inget effektivitetsproblem, det har ett utsläppsproblem.

vad sägs om Bio-härledda bränslen?

mycket av det nuvarande och förutsebara arbetet i CI-motorer verkar fokusera på användningen av alternativa bränslen eller till och med flera bränslen i ett försök att behålla den höga effektiviteten (kanske till och med förbättra den) men ändå avsevärt minska signaturen för skadliga utsläpp och växthusgasproduktion. Bio-härledda bränslen är ett populärt tillvägagångssätt, särskilt i utvecklingsekonomier, för att motverka växthusgasutmaningen och kostnaden för oljeimport. Biobränslen tillverkas i allmänhet av någon typ av vegetabilisk olja och bearbetas kemiskt för att skapa en produkt som efterliknar petroleumdiesel på många sätt. Flera råvaror har använts på detta sätt, beroende på de lokala odlingsförhållandena och de grödor som trivs under dessa förhållanden. Sojabönor, raps, palmfrö, jatropha och karanja oljor bland många andra har bearbetats som bränslen. I allmänhet separeras biobränslen av denna typ i kategorier, de oljor som härrör från ätbara växter och de som härrör från icke ätbara växter. Kemiskt är bränslet som härrör från ätbara växter enklare och lägre kostnad att bearbeta till bränslen. Detta kan dock också skapa en” mat eller bränsle ” – utmaning i den lokala ekonomin. Icke-ätbara växtbaserade biobränslen är svårare och dyrare att bearbeta men tenderar att undvika svårigheten ”mat eller bränsle”. En utmaning för traditionellt biodieselbränsle är att bränslet i sig innehåller syre som en del av sin struktur. Detta syresatta bränsle kommer att ha betydligt minskat energiinnehåll jämfört med petroleumdiesel. Minskningar av energiinnehållet är i allmänhet i storleksordningen 7-8 volymprocent jämfört med petroleumdiesel. Detta leder till mer volym bränsle som förbrukas för samma mängd energi som levereras. Nyare arbete har gjorts med avseende på alger-härledda eller algbränslen, som erbjuder potentialen för mycket större avkastning än traditionella biobränslen (Frashure et al., 2009). Ett annat nyligen forskningsämne är skapandet av” förnybar ” diesel från hydrotermisk eller annan bearbetning av biomassa material för att extrahera långkedjiga kolväten som liknar petroleumdieselbränsle (Aatola et al., 2008). Förnybar diesel tenderar inte att syresättas, så energiinnehållet tenderar att vara detsamma som för petroleumdiesel. Ändå använder ett annat tillvägagångssätt för att skapa dieselbränsle från både förnybara och icke förnybara källor en process som kallas Fischer–Tropsch (FT), så kallad efter de tyska uppfinnarna av denna process på 1930-talet. FT-bränslen härrör från metan, förgasat kol eller förgasad biomassa för att skapa långkedjiga kolväten som är lämpliga för användning som bränsle. Flera akronymer används för denna typ av bränsle, beroende på råmaterialet. Gas-till-vätska (GTL), kol-till-vätska (CTL) och biomassa-till-vätska (BTL) är några av dessa akronymer. FT-processen skapar ganska högkvalitativt dieselbränsle-högt cetanvärde, låg viskositet, inget svavel och högt energiinnehåll-men processen är också komplicerad och dyr, åtminstone för närvarande (Agarwal, 2004).

Vad är State-of-the-Art för CI-motorer?

CI-motorer används över hela världen som källor till motiv och stationär kraft. När tillväxtekonomier som Indien och Kina ökar sin efterfrågan på transport och elkraft för att möta den ekonomiska efterfrågan finns det allvarliga frågor om CI-motorernas framtid inför allt strängare miljöreglering, växthusgasreglering och efterfrågan på fossilt bränsle. Finns det strategier som gör det möjligt för CI-motorn att utvecklas för att möta dessa nuvarande och framtida marknadskrav?

med traditionellt dieselbränsle har ingenjörer gjort några spännande framsteg inom effektivitetsförbättring och utsläppsminskning genom att använda avancerad injektionsteknik som common rail högtryckspumpar, piezo-aktiverade bränsleinsprutare, avancerade turbomachinery och spillvärmeåtervinning (termoelektrikum etc.), och nästan eliminering av svavel i dieselbränsle. Bränsle kan nu mätas mycket mer exakt i förbränningskammaren för att skapa förbränningshändelser som är mjukare och mindre förorenande. Användningen av avgasåtercirkulation (EGR) har gjort det möjligt för ingenjörer att minska syrekoncentrationen i insugningsluften, vilket ger lägre toppförbränningstemperaturer med betydande NOx-minskningar. Framsteg inom efterbehandling, såsom dieselpartikelfilter (DPF), denox-katalysatorer (både selektiv katalytisk reduktion och mager fälla) och dieseloxidationskatalysatorer (DOC), används för närvarande i moderna CI-motorer.

pågående avancerade förbränningsarbeten har skapat spännande möjligheter till förbättring av CI-motoreffektivitet samt betydande förbättring av utsläppssignaturen. När forskningen fortskrider har det visat sig att det är möjligt att förbättra viss förblandning av bränsle och luft, samtidigt som man behåller förmågan att kontrollera effekten genom bränsletillförsel (ingen strypning) och behålla högkompressionsförhållande. Det finns en mängd olika strategier som har använts för att uppnå dessa mål. Den ena är användningen av dubbelt bränsle, populärt känt som reaktivitetsstyrd kompressionständning (RCCI). I RCCI injiceras ett lågreaktivitetsbränsle (såsom bensin, etanol eller liknande) i förbränningskammaren som den primära energikällan och en mycket liten mängd högreaktivitetsbränsle (såsom diesel, biodiesel etc.). Detta möjliggör inte bara möjligheten att köra motorn mager, vilket minskar toppförbränningstemperaturerna och förbättrar effektiviteten, men ger också en positiv tändningsstrategi för att undvika felbränder och behålla hög robusthet. RCCI i research engines har visat möjligheten att uppnå mycket höga effektivitetsnivåer (främst på grund av ytterligare minskad värmeöverföring än traditionell dieselförbränning) och styrstabilitet. Den primära nackdelen med RCCI är kravet på två injektorer per cylinder (en för varje bränsle) och kravet att antingen bära två separata bränslen eller bära en reaktivitetsförbättrande tillsats för lågreaktivitetsbränslet (Curran et al., 2013).

en annan spännande möjlighet i världen av CI-motorer är användningen av ett ganska lågreaktivitetsbränsle (bensin, NAFTA etc.) jämfört med diesel men använder fortfarande en kompressionständningsarkitekturmotor och utnyttjar den långa tändningsfördröjningen av dessa bränslen för att ge en viss nivå av förblandning samtidigt som man behåller tillräckligt med stratifiering för att ge lastkontroll (Kalghatgi et al., 2007). Bensinkompressionständning (GCI) eller delvis förblandad kompressionständning (PPCI) försöker uppnå samma mål som RCCIs användning av dubbelbränsle men att göra det genom att stratifiera ett bränsle på ett exakt sätt. Denna tändkontroll kan vara ganska utmanande jämfört med RCCI, eftersom det beror på de ständigt föränderliga lokala bränsle/luftblandningsegenskaperna snarare än att positivt lägga till ett högreaktivitetsbränsle vid en viss tidpunkt. Fördelen är att endast ett bränsle krävs och en injektor per cylinder.

i vart och ett av fallen för RCCI och PPCI är avsikten att tillåta tillräcklig förblandning för att PM-nivåerna ska vara låga och att driva förbränningen mager eller utspädd nog för att upprätthålla toppförbränningstemperaturer under 2000K, vilket undviker termisk NOx-produktion. Robustheten i dessa nya metoder för förbränning och antändning är en utmaning som närmar sig flera forskningsorganisationer runt om i världen (Johansson et al., 2014; Sellnau et al., 2014).

vad håller framtiden för CI-motorer?

åtminstone från och med 2015 har CI-motorer en dominerande ställning på marknaderna för kommersiella fordon och terrängfordon. Eftersom mer reglerande tryck tillämpas över hela världen på växthusgasutsläpp och luftkvalitet, kommer CI-motorer att fortsätta att utvecklas för att möta dessa tryck. Kombinationen av den höga energitätheten hos flytande bränslen i kombination med den höga effekttätheten hos CI-motorer och mycket låga tillverkningskostnader kommer att fortsätta att göra CI-motorer till en populär lösning för motiv och stationär kraftproduktion. Spännande forskning har pågått inom detta område för att förbättra effektiviteten, minska utsläppen, förbättra utsläppskontrollens efterbehandlingsteknik och enorma framsteg har gjorts. Ännu mer framsteg behövs dock, eftersom världens befolkning leder förbi 7 miljarder människor och efterfrågan på makt i utvecklingsländerna skyrockets. Hur vi löser transport-och kraftutmaningar under de närmaste decennierna kommer att sätta tonen för vår förmåga som samhälle att upprätthålla både en beboelig miljö och en levnadsstandard som är acceptabel för en ständigt ökande befolkning över hela världen.

intressekonflikt uttalande

författaren förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

det inlämnade manuskriptet har skapats av UChicago Argonne, LLC, operatör av Argonne National Laboratory (”Argonne”). Argonne, ett amerikanskt Department of Energy Office of Science laboratory, drivs under Kontrakt nr. DE-AC02-06CH11357. Den amerikanska regeringen behåller för sig själv och andra som agerar på dess vägnar en betald icke-exklusiv, oåterkallelig världsomspännande licens i nämnda artikel för att reproducera, förbereda härledda verk, distribuera kopior till allmänheten och utföra offentligt och visa offentligt, av eller på regeringens vägnar. Detta påverkar inte andras rätt att återpublicera och återdistribuera enligt CC-BY-villkor (www.creativecommons.org). författaren vill erkänna det ekonomiska stödet från Department of Energy Office of Vehicle Technologies, Advanced Engine Combustion Program, som förvaltas av Mr Gurpreet Singh.