История дизельного двигателя (ДВС) — Двигатели автомобилей

Двигатели (двигатели внутреннего сгорания – ДВС, дизели ЧТЗ)

Измерения выбросов дизельных двигателей внутреннего сгорания для биодизельных смесей на основе метанола и этанола

В последнее время наблюдается интерес к использованию возобновляемого и альтернативного топлива, которое регулируется Европейским Союзом, который в настоящее время устанавливает нижний предел в 7%. по объему биодизельной топливной смеси в дизельном топливе. Физические характеристики биодизеля, а также процентное содержание биодизельной смеси в дизельном топливе влияют на расход форсунки, характеристики распыления, получаемую топливно-воздушную смесь и, следовательно, на качество сгорания и выбросы, а также на общую производительность двигателя. В настоящем исследовании два различных типа чистого биодизельного топлива, а именно биодизельное топливо на основе метанола и биодизельное топливо на основе этанола, были получены в лаборатории Университета Фредерика путем химической обработки сырья. Два биодизельных топлива использовали для смешивания чистого дизельного топлива в различных процентных соотношениях. Смеси использовались для измерения выбросов дыма дизельным двигателем внутреннего сгорания при увеличении частоты вращения двигателя и при повышении температуры двигателя. В результате экспериментальных исследований было установлено, что биодизельные смеси на основе этанола дают более высокие выбросы дыма, чем чистое дизельное топливо, в то время как выбросы дыма биодизельных смесей на основе метанола ниже по сравнению с чистым дизельным топливом.

1. Введение

В последнее время Европейский союз (ЕС) проявляет интерес к использованию возобновляемых и альтернативных видов топлива, что регулируется Директивой 2009/30/EC. Для использования биодизельных смесей в настоящее время установлен нижний предел в 7% по объему биодизельной топливной смеси в дизельном топливе. Технические характеристики биодизельного топлива, которое можно использовать для смешивания дизельного топлива, определяются европейским стандартом EN 14214 [1]. Физические свойства биодизеля влияют на дизельные смеси, а диапазон плотности, вязкости и температуры вспышки биодизеля указаны в EN 14214. Однако другие физические свойства дизельных смесей, включая коэффициент поверхностного натяжения, давление паров топлива, температуру кипения точка и скрытая теплота испарения также влияют на характеристики распыления впрыскиваемого топлива, возникающее в результате смешивание воздуха и топлива, сгорание и выбросы дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а также на общую производительность двигателя.

Биодизель в основном производится из масличных культур и другого сырья [2]. Биодизельное топливо может быть получено из семян рапса путем холодного прессования/экстракции и переэтерификации, известное как метиловый эфир жирной кислоты (МЭЖК) [3], и известно как биотопливо первого поколения. Для биодизельного топлива второго поколения, известного как гидроочищенное биодизельное топливо, используются технологии гидроочистки растительных масел и материалов животного жира [3].

Тип биодизельного топлива и физические свойства топлива, а также результирующие физические свойства различных смесей биодизельного топлива в дизельном топливе считаются очень важными, но были изучены в ограниченном количестве предыдущих экспериментальных и расчетных исследований. Физические свойства биодизеля, включая плотность, динамическую вязкость и коэффициент поверхностного натяжения, были исследованы среди прочих [4]. В атмосферных условиях плотность биодизеля по сравнению с чистым дизельным топливом примерно на 5-10% выше, а вязкость биодизеля, приведенная при 40°С, почти в два раза выше, чем вязкость чистого дизельного топлива. Были опубликованы ограниченные данные по коэффициенту поверхностного натяжения, который колеблется от 0,025 до 0,03 Н/м для биодизеля, в то время как для дизельного топлива он составляет примерно от 0,02 до 0,025 Н/м. Однако различное сырье, а также различные процессы производства биодизеля приводят к различным физическим свойствам произведенного биодизеля. Настоящая работа направлена ​​на изучение влияния различных сырьевых материалов, а именно, метанола и этанола, используемых для производства биодизеля, чтобы отличить их влияние на выбросы выхлопных газов и производительность двигателя.

Опубликованные экспериментальные и расчетные исследования касались внутреннего потока дизельных форсунок, явлений кавитации и возникающих в результате распыления биодизельного топлива. Полученные аэрозоли из смесей дизельного топлива и биодизеля были экспериментально исследованы в том числе в работах [5, 6]. Было обнаружено, что угол конуса распыления уменьшается, а проникновение распыления увеличивается с увеличением процентного содержания биодизеля в смеси. Вычислительные исследования распыления были выполнены, среди прочего, в [7], и было обнаружено, что угол конуса распыления уменьшается, а проникновение распыления увеличивается, когда процентное содержание биодизеля в смеси увеличивается.

В опубликованных экспериментах изучалось влияние различных типов биодизельных смесей на сгорание и выбросы отработавших газов, а также на характеристики дизельных ДВС (см. [8–11]). Ананд и др. [8] использовали недисперсионный инфракрасный анализатор (NDIR) (AVL DiGas 444), газоанализатор и дымомер (AVL437) и измерили выбросы смесей отработанного метилового эфира растительного масла от B10 (10% по объему биодизеля в дизельном топливе) до B80 в одноцилиндровом дизельном двигателе. Установлено, что при использовании биотопливных смесей увеличивается удельный расход топлива, СО, СО ₂ , а эмиссия УВ уменьшилась, дымность уменьшилась, а эмиссия NO несколько увеличилась [8]. Гвидо и др. [9] использовали дымомер (AVL415S) и изучали влияние биодизельных смесей B20, B50 и B100 на выбросы 2-литрового четырехцилиндрового дизельного двигателя General Motors. Также было установлено, что количество выделяемого дыма снижается при увеличении процентного содержания биодизельных смесей [9]. Наби и Хустад [10] использовали гравиметрический метод и исследовали 20% по объему биодизельной смеси ятрофы в дизельном топливе в шестицилиндровом двигателе с турбонаддувом и непосредственным впрыском и обнаружили, что дымность уменьшается при использовании смешанного топлива. Чжан и др. [11] использовали портативный анализатор выхлопных газов (ФГА-4100) вместе с дымомером (АВЛ 439).) и исследовал характеристики сгорания и выбросов биодизельных смесей метилового эфира сои в одноцилиндровом двигателе с непосредственным впрыском при различных нагрузках и постоянной скорости. Было обнаружено, что непрозрачность дыма снижается при более высоком процентном содержании биодизельных смесей [11]. В недавнем исследовании [12] изучалось влияние увеличения процентного содержания биодизеля в смеси на дым, выбрасываемый двигателем, использующим газоанализатор, описанный в настоящем исследовании. Было обнаружено, что количество выделяемого дыма уменьшается с увеличением количества биодизельных смесей, что согласуется с другими опубликованными исследованиями.

Однако для лучшего понимания качества биодизеля и различных эффектов биодизеля на выбросы и производительность ДВС необходимо провести дальнейшие экспериментальные исследования, сопровождаемые расчетными исследованиями. В частности, необходимо оценить влияние различных видов биодизельного топлива.

В настоящем исследовании экспериментально исследуются автомобильные дизельные двигатели внутреннего сгорания, работающие на смесях двух различных типов биодизельного топлива, а именно на основе метанола и этанола, обозначаемых MB и EB, соответственно, в дизельном топливе. Выявлено влияние различных видов биодизельных смесей на выбросы ДВС. По результатам экспериментов и обсуждения сделаны выводы и предложения по адаптации биодизеля в ДВС. Во-первых, представлена ​​экспериментальная установка, используемая для измерения выбросов, включая детали производства двух различных типов биодизельного топлива, которые использовались для смешивания чистого дизельного топлива с увеличением процентного содержания. Затем обсуждаются экспериментальные результаты, после чего делаются выводы настоящего исследования.

2. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка, используемая для измерений, включает в себя дизельный двигатель внутреннего сгорания, на котором исследовались испытуемые топлива и измерялись выбросы выхлопных газов, газоанализатор, который использовался для измерений, лабораторное производство два типа биодизеля и приготовление смесей с различным процентным содержанием.

2.1. Дизельный двигатель внутреннего сгорания

Дизельный ДВС, используемый для измерения выбросов чистого дизельного топлива (Евродизель) и различных смесей биодизеля в Евродизеле, показан на Рисунке 1. Дизельный ДВС изготовлен компанией Mitsubishi и установлен на специальной противоударной раме. . Это четырехцилиндровый двигатель с четырьмя клапанами на цилиндр (2 впускных и 2 выпускных клапана) с системой непосредственного впрыска топлива, оснащенный турбокомпрессором. Технические характеристики двигателя приведены в таблице 1.

2.2. Газоанализатор и экспериментальная методика

Газоанализатор, который использовался для измерения выбросов выхлопных газов дизельного ДВС, показан на рисунке 2. Для заправки дизельного топлива использовались тестовые топлива различных смесей двух различных типов биодизельного топлива в дизельном топливе. ЛЕД. Модель газоанализатора CARTEC CET 2000 [13] имеет различные датчики и зонды для измерения выбросов отработавших газов и контроля частоты вращения двигателя в оборотах в минуту (об/мин).

Газоанализатор может измерять выбросы бензиновых ДВС и дизельных ДВС [13]. Абсорбционный метод с использованием мутномера (дымомера) применяется для выбросов дизельных двигателей ([13, ​​14]). Для дизельных ДВС измеренное количество выделяемого дыма определяется коэффициентом затемнения света (CLO), который аналогичен массовой концентрации частиц несгоревшего углерода, содержащихся в выхлопных газах. Соответствующие значения концентрации дыма как массовой концентрации CLO приведены производителем в таблицах. Измерение CLO как функции частоты вращения двигателя и температуры двигателя используется при представлении экспериментальных результатов.

2.3. Производство биодизельного топлива на основе метанола и приготовление смесей с чистым дизельным топливом

Биодизельное топливо на основе метанола было произведено в Лаборатории обработки материалов Университета Фредерика и использовалось для приготовления смесей биодизельного топлива с обычным дизельным топливом. Производство биодизеля и приготовление смесей с обычным дизельным топливом описаны ниже.

Сырье включало кукурузное масло, метанол и гидроксид натрия (NaOH) ([15, 16]). На каждый 1 литр кукурузного масла использовали 250 мл метанола и 3,5 г NaOH. Процесс производства включает нагревание кукурузного масла примерно до 50–60°C и добавление метанола с растворенным NaOH при постоянном перемешивании в течение примерно 20 минут. Смесь оставляли на ночь для разделения жидкой фазы. Биодизель представляет собой более легкую жидкую фазу, тогда как более тяжелая жидкость представляет собой биоотходы, содержащие глицерин и другие побочные продукты (в основном, NaOH и влагу). Биологические отходы сливались путем слива, а биодизель оставался в контейнере, как показано на рис. 3.

Смеси биодизеля на основе метанола с обычным дизельным топливом были приготовлены в лаборатории ICE путем смешивания полученного биодизеля на основе метанола в различных процентных соотношениях с обычным дизельным топливом, полученным на местном рынке [17], продаваемым как «Евродизель». Испытуемые топлива представляли собой чистый евродизель, обозначенный как «дизель», и 25, 50 и 75% объемного содержания биодизеля на основе метанола в общем объеме смешанного дизельного топлива, обозначенные как «МВ25, МВ50» и «МВ75» соответственно.

2.4. Производство биодизеля на основе этанола и приготовление смесей с чистым дизельным топливом

Биодизельное топливо на основе этанола также производилось в Лаборатории обработки материалов Университета Фредерика и использовалось для приготовления смесей биодизельного топлива на основе этанола с обычным дизельным топливом. Для производства биодизеля на основе этанола вместо метанола использовался этанол. На каждый литр кукурузного масла использовали 350 мл этанола и такое же количество NaOH. Переработка биодизельного топлива на основе этанола привела к увеличению количества производимых биоотходов, как показано на рисунке 4.9.0003

Биоотходы биодизеля на основе этанола, изображенные на рисунке 4, были толще и отличались по цвету от биоотходов биодизеля на основе метанола, показанных на рисунке 3. Таким образом, процесс производства биодизеля на основе этанола требовал промывки биодизеля водой и инфильтрации. с целью улучшения производства и качества производимого биодизеля.

Смеси биодизеля на основе этанола с обычным дизельным топливом были приготовлены в лаборатории ДВС путем смешивания полученного биодизеля на основе этанола в различных процентных соотношениях с Евродизелем. Испытуемые топлива представляли собой чистый евродизель, обозначаемый «дизель», и 10 и 25% объемного содержания биодизеля на основе этанола в общем объеме смешанного дизельного топлива, обозначаемые «ЕВ10» и «ЕВ25» соответственно.

3. Экспериментальные результаты и обсуждение

Измерения выбросов отработавших газов проводились при увеличении оборотов двигателя от холостого хода до полного газа. Измерения начинались с двигателя при атмосферной температуре и регистрировались при увеличении температуры двигателя до полного прогрева. Для измерения выбросов отработавших газов, полученных при использовании испытуемого топлива, частоты вращения двигателя, температуры смазочного масла (соответствующей динамике прогрева двигателя) и дыма, выраженного с помощью CLO в (м ^-1 ) были зарегистрированы для температуры смазочного масла приблизительно около 40, 60, 80, 90 и 95°C при частоте вращения двигателя 1000, 2000, 3000 и 3500 оборотов в минуту (об/мин).

Сначала описываются экспериментальные результаты выбросов чисто дизельных смесей, затем представлены выбросы биодизельных смесей на основе метанола, а затем экспериментальные результаты выбросов биодизельных смесей на основе этанола. Наконец, выбросы биодизельных смесей на основе метанола и этанола сравниваются с выбросами чистого биодизеля и обсуждаются.

3.1. Результаты измерений выбросов чистого биодизеля

Измерения выбросов от дизельного ДВС для чистого дизельного топлива при температуре двигателя приблизительно 40, 60, 80, 90 и 95°C при увеличении оборотов двигателя представлены на рисунке 5. Видно, что выбрасываемый дым немного снижается с минимальным значением при 2000 об/мин и значительно увеличивается при частоте вращения двигателя выше 3000 об/мин для всех температур двигателя.

Как видно из рисунка 5, максимальное количество выделяемого дыма происходит при работе холодного двигателя на максимальных оборотах, что свидетельствует о недостаточном времени для подготовки воздушно-топливной смеси и завершения сгорания.

3.2. Результаты выбросов биодизельных смесей на основе метанола

Измерения с биодизельной смесью на основе метанола MB25 включены в рисунок 6. При всех температурах двигателя количество выбрасываемого дыма слегка увеличивается по линейной тенденции с увеличением скорости вращения двигателя до 3000 об/мин. После этого также можно увидеть, что при максимальной скорости скорость увеличения количества дыма увеличивается и что максимальное количество дыма выбрасывается при работе холодного двигателя. Наблюдаемые тенденции аналогичны тенденциям чистого дизельного топлива, поэтому работа двигателя по выбросам не ухудшается.

Измерения дыма с биодизельными смесями на основе метанола для тестовых топлив MB25, MB50 и MB75 сравниваются с дымом, выделяемым чистым дизельным топливом на рисунке 7. На рисунке 7 показано влияние частоты вращения двигателя на работу холодного двигателя для разное тестовое топливо. Можно заметить, что дымность немного снижается от 1000 до 2000 об/мин для всех испытуемых видов топлива, кроме MB75, а затем количество выделяемого дыма немного увеличивается до 3000 об/мин. При частоте вращения двигателя выше 3000 об/мин дымообразование значительно увеличивается. Различия между количеством выбрасываемого дыма для дизельного топлива, MB25 и MB50 невелики, в то время как меньшее количество выбрасываемого дыма имеет место для MB75, что показывает, что увеличение процента смешивания биодизеля на основе метанола снижает количество дыма для всех обороты двигателя. Следовательно, при работе двигателя в холодном состоянии использование повышенного процента биодизеля считается полезным для работы двигателя.

Измерения дыма с биодизельными смесями на основе метанола для испытуемых топлив дизельного топлива, MB25, MB50 и MB75 для работы горячего двигателя при увеличении оборотов двигателя сравниваются на рисунке 8. Рисунок 8 показывает, что дым немного увеличивается от 1000 до 3000 об/мин. для всех испытуемых видов топлива. При частоте вращения двигателя выше 3000 об/мин скорость увеличения количества выделяемого дыма выше, чем при частоте вращения ниже 3000 об/мин. Различия между количеством выделяемого дыма для всех испытуемых топлив незначительны для диапазона скоростей от 1000 об/мин до 3000 об/мин, а для более высоких оборотов двигателя количество выделяемого дыма уменьшается примерно на 20%, когда процент смешивания увеличивается от 0 до 75%. .

Таким образом, тенденция, наблюдаемая на рисунке 8, аналогична в отношении уровней количества выделяемого дыма при высоких оборотах двигателя, и увеличение процентного содержания биодизеля на основе метанола может улучшить характеристики двигателя. Очевидно, что при работе двигателя в горячем состоянии использование повышенного процентного содержания биодизеля в смеси улучшает смешивание топлива и воздуха и качество сгорания, особенно при высоких оборотах двигателя.

В целом, из рисунков 5, 6, 7 и 8 видно, что тенденции выбросов дыма для чистого дизельного топлива, MB25, MB50 и MB75 довольно схожи. Однако наибольшее количество дыма выделяется, когда двигатель холодный и работает на максимальных оборотах на чистом дизельном топливе, а наименьшее количество дыма выделяется, когда двигатель горячий и работает на малых оборотах, когда топливная смесь имеет максимальное количество дыма. процент смешивания биодизеля на основе метанола.

3.3. Результаты выбросов биодизельных смесей на основе этанола

Измерения с биодизельной смесью на основе этанола EB25 включены в рисунок 9. При всех температурах двигателя количество выбрасываемого дыма почти одинаково для оборотов двигателя до 3000 об/мин и для более высоких температур двигателя. чем 60°С. При 3000 об/мин количество дыма резко увеличивается, и максимальное количество дыма выделяется при работе холодного двигателя. Это показывает, что работа двигателя ухудшается, когда двигатель холодный и работает на биодизельных смесях на основе этанола даже при низких процентных содержаниях. Это можно объяснить различными физическими свойствами биодизеля на основе этанола, которые приводят к плохому смешиванию воздуха и топлива, испарению и неполному сгоранию. Тестовые измерения проводились с тестовыми топливами с более высоким процентным содержанием смеси, чем 25% биодизельных смесей на основе этанола, что приводило к нестабильной работе двигателя, когда возникали вибрации и сильный шум.

Измерения дыма с биодизельными смесями на основе этанола для тестовых топлив EB10 и EB25 сравниваются с выбросами дыма от чистого дизельного топлива на рисунке 10. На рисунке 10 показано влияние частоты вращения двигателя на работу холодного двигателя для трех тестовых видов топлива при увеличение процента смешивания биодизеля на основе этанола. Можно заметить, что количество дыма почти постоянно в диапазоне от 1000 до 2000 об/мин для всех испытуемых видов топлива. Однако при более высоких оборотах двигателя количество дыма, выделяемого двигателем EB25, резко возрастает. Различия между количеством выделяемого дыма для дизельного топлива и тестового топлива EB10 незначительны, что говорит о том, что биодизель на основе этанола можно использовать без снижения производительности двигателя. Однако использование биодизеля на основе этанола при увеличении процентного содержания в смесях запрещено, так как резко ухудшается работа двигателя.

Измерения дымности биодизельных смесей на основе этанола для испытуемых топлив дизельного топлива, EB10 и EB25 для работы в горячем двигателе при увеличении оборотов двигателя представлены на рисунке 11. Рисунок 11 показывает, что дым немного увеличивается в диапазоне скоростей от 1000 до 3000 об/мин для всех испытуемых видов топлива. При частоте вращения двигателя выше 3000 об/мин количество выбрасываемого дыма резко увеличивается для EB10 и EB25, а для дизельного топлива дым увеличивается примерно на 20%. Различия между количеством выделяемого дыма для всех испытуемых топлив незначительны для диапазона скоростей от 1000 об/мин до 3000 об/мин, а для более высоких оборотов двигателя количество выделяемого дыма увеличивается с увеличением процента смешивания.

Тенденция, наблюдаемая на Рисунке 11 в отношении увеличения количества дыма с увеличением числа оборотов двигателя при работе двигателя в горячем состоянии, аналогична тенденции, показанной на Рисунке 10, в отношении количества выделяемого дыма. Однако при высоких оборотах двигателя увеличение процентного содержания биодизеля на основе этанола резко увеличивает количество выделяемого дыма, и это более заметно при работе двигателя в горячем состоянии. Таким образом, как при работе двигателя в холодном, так и в горячем состоянии увеличение процентного содержания биодизельного топлива на основе этанола в смеси влияет на смешивание воздуха и топлива и качество сгорания, особенно при высоких оборотах двигателя.

В целом, из Рисунков 9, 10 и 11 видно, что EB25 и топлива с более высоким процентным содержанием смеси не следует использовать для смешивания дизельного топлива.

3.4. Сравнение выбросов биодизельных смесей на основе метанола и этанола

Сравнение измерений выбросов дыма от дизельного ДВС для чистого дизельного топлива, тестовых топлив MB25 и EB25 при температуре двигателя примерно 40, 60, 80, 90 и 95 °C при низких, средних и высоких оборотах двигателя представлены ниже.

На Рисунке 12 показаны результаты низких оборотов двигателя, и видно, что количество дыма колеблется, а уровни являются низкими для всех испытуемых видов топлива. Однако наименьшее количество дыма образуется при использовании биодизельного топлива на основе метанола, а максимальное количество дыма выделяется при использовании биодизельной смеси на основе этанола. Можно видеть, что использование биодизеля на основе метанола снижает количество дыма по сравнению с дизельным топливом и EB25 при низких температурах двигателя, тогда как использование смеси биодизеля на основе этанола увеличивает количество дыма по сравнению с дизельным топливом и смесью биодизеля на основе метанола при горячем двигателе. .

На рис. 13 сравнивается количество выбрасываемого дыма для чистого дизельного топлива, тестового топлива MB25 и EB25 при средних оборотах двигателя. Различия небольшие, но очевидно, что EB25 приводит к большему количеству дыма при работе холодного двигателя. Однако при горячем двигателе уровень выделяемого дыма практически одинаков для всех испытуемых топлив.

Повышение частоты вращения двигателя до высоких уровней приводит к сходным тенденциям для выбросов дыма при использовании дизельного топлива и MB25, как показано на рисунках 14 и 15. Первая тенденция заключается в том, что для дизельного топлива и испытательного топлива MB25 количество выделяемого дыма немного уменьшается, когда температура двигателя растет. Вторая тенденция заключается в том, что количество выделяемого дыма для EB25 уменьшается при повышении температуры двигателя, что свидетельствует об улучшении смешивания воздуха и топлива, испарения и качества сгорания. Это можно объяснить улучшением физических свойств биотопливной смеси на основе этанола при нагреве в цилиндре дизельного ДВС.

4. Выводы и рекомендации

Для увеличения процента смешивания биодизельных смесей на основе метанола наибольшее количество дыма выделяется при холодном двигателе, работающем на максимальных оборотах на чистом дизельном топливе, и наименьшее количество дыма выделяется когда двигатель горячий и работает на низких оборотах двигателя, когда топливная смесь имеет максимальный процент биодизельного топлива на основе метанола. Рекомендуется использовать смеси на основе метанола, поскольку они уменьшают дымность.

При более высоких оборотах двигателя количество выбрасываемого дыма увеличивается, когда увеличивается процентная доля смеси для биодизельных смесей на основе этанола. Тем не менее, смеси биодизельного топлива на основе этанола с низким процентным содержанием смеси могут использоваться, но это требует дальнейшего изучения. Однако смеси с более высоким процентным содержанием смеси не должны использоваться для смешивания дизельного топлива. Рекомендуется изучить предварительный нагрев биодизельных смесей на основе этанола при увеличении процентного содержания смеси.

Для биодизельных смесей на основе метанола и биодизельных смесей на основе этанола дальнейшие исследования NO _x качество выбросов, а также влияние смешанного дизельного топлива на тепловой КПД двигателя и мощность торможения. Кроме того, следует использовать другие типы дизельных двигателей, в том числе двигатели без наддува, для изучения влияния биодизельных смесей на характеристики двигателя и выбросы.

Физические свойства биодизельного топлива, включая биодизельное топливо на основе метанола и биодизельное топливо на основе этанола, и полученные смеси должны быть исследованы экспериментально и расчетно, чтобы связать и количественно оценить влияние их физических свойств на выбросы дизельного двигателя и общую производительность двигателя .

Copyright © 2013 Charalambos A. Chasos et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Двигатели внутреннего сгорания | IFPEN

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания обычно состоит из нескольких камер сгорания . Каждая из них ограничена головкой блока цилиндров, цилиндром и поршнем.

Конструкция двигателя также шарнирно связана с системой коленчатого вала , позволяющей преобразовывать возвратно-поступательное движение (движение поршня) во вращательное движение (вращение коленчатого вала).

Во время каждого цикла сгорание топливной смеси (воздушно-топливной смеси) в камере приводит к увеличению давления газа, приводящего в движение поршень и систему коленчатого вала. Поскольку коленчатый вал соединен с механическими компонентами трансмиссии (коробки передач, приводные валы и т. д.), его движение приводит в движение колеса автомобиля.

Коробка передач позволяет адаптировать скорость вращения колеса к скорости вращения двигателя.

Мощность двигателя зависит в первую очередь от количества энергии, вырабатываемой при сгорании, следовательно, от количества топливной смеси, присутствующей в камере сгорания. Таким образом, он напрямую связан с объемом камеры (единичный рабочий объем), количеством камер или цилиндров в двигателе (общий рабочий объем) и количеством впрыскиваемого топлива.
 

Почему «4-тактный»?

Этот термин относится к тому факту, что для преобразования химической энергии, содержащейся в топливе, в механическую требуется 4 отдельных такта. Каждый ход соответствует половине оборота коленчатого вала (одно движение поршня вверх или вниз). Такты 1 и 4 предназначены для переноса газа (впуск свежего газа и выброс выхлопных газов), а такты 2 и 3 необходимы для подготовки к горению, за которым следует само горение и его преобразование в механическую энергию.

Для двигателя с искровым зажиганием и непрямым впрыском 4 такта следующие:
 

• 1 ^st такт : Впуск (Заполнение цилиндра5) 9012 топливно-воздушная смесь.
• 2 ^nd  ход :  Сжатие
  Поршень снова поднимается, сжимая воздушно-топливную смесь. Образуется искра, воспламеняющая смесь.
• 3 ^р-д ход :  Сгорание — Расширение
  Этот ход соответствует развитию сгорания и расширению отработавших газов: поршень опускается и химическая энергия преобразуется в механическую энергию.
• 4 ^-й  ход : Выхлоп (Отработанные газы выводятся из цилиндра)
  Поршень снова поднимается и выталкивает отработавшие газы.

Для дизельного двигателя с воспламенением от сжатия и непосредственным впрыском , 4 такта работают одинаково, с двумя отличиями:
 

• Чистый воздух всасывается и сжимается во время тактов 1 и 2 , затем топливо вводится непосредственно в цилиндр (путем впрыска) в конце сжатия.
• Смесь воспламеняется самопроизвольно , без искры, из-за высокой температуры воздуха в результате его сжатия.

   

Цетановое число/октановое число

Цетановое число указывает на способность дизельного топлива к самовозгоранию.

Октановое число является показателем способности бензина сопротивляться самовозгоранию и избегать неконтролируемого сгорания из-за электрической искры (аномальное сгорание, детонация).

Что такое горение?

Теоретически для полного сгорания 1 г обычного топлива (бензина или дизельного топлива) требуется около 14,6 г воздуха. Эта идеальная смесь называется стехиометрической смесью.

Бензиновые двигатели с непрямым впрыском в основном работают на стехиометрической смеси . После подачи в двигатель однородной смеси воздуха и бензина горение (воспламенение смеси) инициируется искрой (искровым зажиганием). Горение вызывает распространение фронта пламени, проходящего через камеру.

Текущие бензиновые двигатели с прямым впрыском : воздух поступает через впуск, а топливо, как и в дизельном двигателе, поступает непосредственно в камеру сгорания, что позволяет более точно управлять впрыском. Вместо премикса воздух-топливо двигатель работает с так называемым послойным зарядом. Горение по-прежнему инициируется искрой (искровое зажигание).

Дизельные двигатели работают с избытком воздуха . Дизель впрыскивается под давлением в предварительно сжатую массу воздуха. Горение инициируется самовозгоранием (воспламенение от сжатия). Сгорание называют послойным или неоднородным, поскольку оно происходит как в богатой топливом (расположенной вблизи форсунки), так и в бедной топливом (ближе к стенке цилиндра) зоне.

Топливо 

В Европе используются бензиновые или дизельные двигатели с искровым зажиганием. Бензин и дизельное топливо являются двумя основными конечными продуктами, получаемыми в результате переработки сырой нефти, и их состав меняется в зависимости от требований к двигателю и, что более важно, экологических норм, связанных с качеством воздуха и сокращением выбросов парниковых газов.

Биотопливо можно смешивать непосредственно с бензином и дизельным топливом в различных пропорциях без необходимости адаптации двигателей, тем самым используя преимущества существующих распределительных сетей. Во Франции дизель B7, продаваемый на заправке, обычно содержит до 7% (по объему) биотоплива, а бензин E10 — до 10%.

Двигатель преобразует химическую энергию в механическую. КПД двигателя относится к соотношению между энергией, подводимой к двигателю (химическая энергия, содержащаяся в топливе), и вырабатываемой механической энергией . Важно оптимизировать эту эффективность, чтобы избежать потерь энергии, особенно в контексте устойчивого развития.

В оптимальных условиях эксплуатации современные бензиновые двигатели обеспечивают максимальный КПД около 36%, а дизельные двигатели — 42% .

Другими словами, в наиболее благоприятных условиях эксплуатации немногим более одной трети энергии, обеспечиваемой топливом, преобразуется в полезную энергию для движения транспортного средства, а остальная часть теряется в виде тепла в атмосферу. Однако эти оптимальные условия соответствуют использованию двигателя с высоким крутящим моментом.

Максимальная мощность, которую должен обеспечить двигатель, определяется: 
 

• весом автомобиля,
• его максимальная скорость,
• и его ходовые качества (преодоление инерции, связанной с массой, сопротивление воздуха, разгонный потенциал).

Обычно автомобили используются для коротких городских поездок, требующих низкого крутящего момента двигателя. В таких условиях КПД двигателя падает максимум до 15%.

В этой области ведутся серьезные исследования и разработки, направленные на повышение эффективности двигателя при любых условиях эксплуатации автомобиля.

В городах КПД двигателя падает максимум до 15%.

Очистка выхлопных газов

Этот этап заключается в преобразовании выхлопных газов между двигателем и выхлопной трубой для получения менее загрязняющих выбросов газов.

В настоящее время существует два основных решения для доочистки выбросов:
 

• каталитический преобразователь , который в первую очередь преобразует CO, HC и NOx, а также позволяет уменьшить количество частиц сажи (растворимая органическая фракция, присутствующая на частицах ),
• фильтр твердых частиц , который накапливает частицы, а затем периодически (примерно каждые 500 км) сжигает их в идеально контролируемых условиях.

Внедряются другие технологии для дальнейшего улучшения очистки выбросов. К ним относятся ловушки оксида азота и селективное каталитическое восстановление или СКВ (с введением специального восстановителя, мочевины).

Сокращение загрязнения у источника

Загрязнение обрабатывается у источника в камере сгорания. Возможны два пути:
 

• оптимизация традиционных процессов сгорания за счет внедрения новых технологий (впрыск, турбонаддув и др.)
• внедрение новых однородных режимов горения   <=(lien à mettre vers "Что такое горение?"

Двигатели, работающие на природном газе, часто являются результатом преобразования существующих дизельных или бензиновых двигателей. Но также разрабатываются двигатели, специально предназначенные для природного газа.

Топливо на природном газе: NGV 

Это топливо хранится и используется в виде газа . Он распространяется на специализированных сервисных станциях или через компрессор, подключенный к сети в доме человека.

Как насчет биоГНВ?

В то время как NGV получают из ископаемых источников , биоNGV получают путем метанизации органических отходов : бытовых отходов, осадка водоочистных сооружений, сельскохозяйственной продукции и скошенной травы, отходов пищевой промышленности и общественного питания и т. д.

Меньше выбросов CO ₂       

Эти специальные двигатели позволяют сократить выбросы CO ₂ на 5–10 % по сравнению с дизельным двигателем .
Кроме того, выхлопные газы не содержат оксидов серы и содержат мало частиц.

Парк газомоторных автомобилей

Около 1 9 миллионов автомобилей на газомоторном топливе, т. е. 2% парка, в настоящее время находятся в эксплуатации по всему миру . Вообще говоря, топливный газ имеет наибольший успех в странах, где ресурсы природного газа и заправочные станции наиболее развиты.