Лаборатория доводит бензиновые двигатели до новых пределов возможностей

Загрузка

HyperDrive | Устойчивое развитие

Лаборатория доводит бензиновые двигатели до новых пределов

(Изображение предоставлено Thinkstock)

Автор: Джон Стюарт, 2 октября 2013 г. это еще, если набор диковинных испытаний удастся.

A

Любой, кто случайно залил бензин в свой дизельный автомобиль, знает, что обычно этого следует избегать любой ценой. Тем не менее, за рабочим столом, усеянным цветной проводкой, трубами и сенсорными дисплеями, Стив Чиатти делает именно это. То, что для большинства водителей является дорогостоящей ошибкой, — это возможность Ciatti совместить эффективность дизеля с относительной чистотой бензина.

Для поклонников Nissan Leaf, Tesla Model S и Vauxhall или Opel Ampera (Chevrolet Volt в США) будущее автомобиля за электричеством, а дни двигателей внутреннего сгорания сочтены. Но это далеко не универсальное мнение, и, по крайней мере, на данный момент двигатели, работающие на газе, будут продолжать доминировать в продажах автомобилей еще долгие годы. Поэтому инженеры продолжают работать над тем, чтобы выжать из них каждую последнюю милю на галлон.

В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, недалеко от Чикаго, штат Иллинойс, это означает доведение двигателей до новых пределов, иногда в транспортных средствах, иногда в специальных испытательных камерах. Отсюда диковинные звуковые эксперименты Чиатти.

«Буквально, не пытайтесь повторить это дома!» он говорит. «Это, конечно, неестественная мысль — использовать бензин в дизельном двигателе, но когда вы правильно его контролируете, то это не только можно сделать, но и достичь очень впечатляющих показателей эффективности по всем направлениям. Сигнатура выбросов значительно ниже».

Как бензиновые, так и дизельные двигатели используют контролируемый взрыв топлива внутри цилиндра для приведения в движение поршня. Поршни от (обычно четырех или шести) цилиндров соединены с коленчатым валом, который создает круговое движение, которое, в свою очередь, приводит в движение колеса через коробку передач.

Однако то, как два типа двигателей вызывают этот взрыв, сильно различается. В бензиновом двигателе есть свечи зажигания, которыми можно воспламенить топливно-воздушную смесь. Дизельные двигатели, с другой стороны, не имеют свечей зажигания. Топливо воспламеняется само по себе, когда оно впрыскивается в сжатый (и, следовательно, нагретый) воздух в двигателе — процесс, известный как воспламенение от сжатия.

Дизельные двигатели дают водителям больше миль на галлон. Частично причина в том, что уровень мощности в бензиновом двигателе определяется дроссельной заслонкой, которая выполняет свою роль, контролируя поток входящего воздуха. Меньше воздуха означает меньше кислорода для взрыва в цилиндре. Однако двигателю приходится работать больше, чтобы всасывать воздух, что приводит к потере эффективности.

Миссия по выбросам

Тем не менее, дизельные двигатели имеют свои ограничения, в основном потому, что сжигание дизельного топлива создает больше сажи и оксидов азота (NOx). Проблема в том, что дизель на самом деле сгорает слишком легко. Он начинает гореть, как только он впрыскивается в горячий воздух в цилиндре, до того, как он успел как следует смешаться с воздухом. Химия сложна, но результатом является неэффективный процесс сгорания, который генерирует сажу или выбросы твердых частиц вокруг потока горящего топлива, подобно мерцающей свече.

Ciatti считает, что можно сохранить повышение эффективности при значительном снижении выбросов. «Я могу добавлять бензин гораздо раньше, чем дизельное топливо, улучшая его смешивание и помогая сократить количество сажи», — говорит он. По данным Ciatt, испытания в Аргонне показали, что заправка дизельного двигателя бензином может сократить выбросы NOx на 90% и вдвое сократить выбросы сажи. Он сосредоточен на еще большем снижении уровня сажи.

Поскольку у газов в цилиндре больше времени для смешивания, Ciatti может предложить еще одну стратегию сокращения выбросов. Рециркуляция отработавших газов (EGR) включает в себя откачку части выхлопных газов двигателя обратно в цилиндр. Это снижает уровень кислорода и, таким образом, сокращает выбросы NOx. Цена такого сокращения загрязнения – потеря эффективности.

«Я могу снизить концентрацию кислорода в окружающем воздухе, разбавив его выхлопными газами», — говорит Чиатти. «Поскольку я впрыскиваю его рано и у меня нет проблем со смесью, как у дизеля, я могу запустить EGR без особых потерь, и я могу довести свои уровни NOx до очень низкого уровня. Я одновременно могу сократить выбросы твердых частиц и NOx, потому что работаю на топливе, которое трудно самовоспламеняется».

Пока эксперименты проводятся только в лаборатории. «Если бы я попытался сделать это под капотом автомобиля, это было бы очень сложно сделать, потому что у меня нет возможности управлять им так, как я здесь», — говорит Чиатти.

Однако команда в Аргонне работает с крупными автопроизводителями и нефтяными компаниями в надежде изменить ситуацию. Скромный двигатель внутреннего сгорания, который используется в автомобилях с 19-го века, возможно, еще проживет.

Если вы хотите прокомментировать эту историю или что-либо еще в Future, перейдите на нашу страницу в Facebook или напишите нам по номеру в Twitter .

Анализ паров бензина и дизельного топлива и выхлопных газов автомобильных двигателей с помощью масс-спектрометрии с выбранными ионными трубками

. 2002;16(11):1124-34.

doi: 10.1002/rcm.691.

Дэвид Смит
1
 , Пинг Ченг, Патрик Спанел

принадлежность

  • 1 Центр науки и технологий в медицине, Школа последипломной медицины, Кильский университет, Торнберроу Драйв, Хартсхилл, Сток-он-Трент ST4 7QB, Великобритания. [email protected]

  • PMID:

    11992517

  • DOI:

    10. 1002/рсм.691

Дэвид Смит и др.

Быстрый общественный масс-спектр.

2002.

. 2002;16(11):1124-34.

дои: 10.1002/rcm.691.

Авторы

Дэвид Смит
1
, Пинг Ченг, Патрик Спанел

принадлежность

  • 1 Центр науки и технологий в медицине, Школа последипломной медицины, Кильский университет, Торнберроу Драйв, Хартсхилл, Сток-он-Трент ST4 7QB, Великобритания. [email protected]

  • PMID:

    11992517

  • DOI:

    10. 1002/рсм.691

Абстрактный

Мы использовали выбранную масс-спектрометрию с ионным расходомером (SIFT-MS) для анализа паров, выделяемых бензином и дизельным топливом, а также выхлопных газов бензиновых (искровое зажигание) и дизельных (воспламенение от сжатия) двигателей транспортных средств, оснащенных каталитическими нейтрализаторами. Были проанализированы только те компоненты этих сред, которые имеют значительное давление паров при температуре окружающей среды, и, таким образом, твердые частицы, очевидно, не были обнаружены. Эти среды были проанализированы с использованием полного спектра SIFT-MS, т.е. с тремя доступными ионами-предшественниками h4O+, NO+ и O2+. Сочетание анализов h4O+ и NO+ представляется важным для различения различных ионов-продуктов при одинаковом отношении массы к заряду (m/z), особенно при идентификации альдегидов в выхлопных газах. Ионы-предшественники O2+ используются для обнаружения и количественного определения большого количества оксида азота, присутствующего в выхлопных газах обоих типов двигателей. Пары бензина и дизельного топлива состоят почти исключительно из алифатических алканов, алкенов и алкинов (и диенов) и ароматических углеводородов. Некоторые из этих соединений появляются в выхлопных газах вместе с некоторыми альдегидами, а именно. формальдегид, ацетальдегид, пентаналь, пентеналь (акролеин), бутеналь, а также метанол и этанол. Также присутствуют ацетон, оксид азота и аммиак, при этом ацетона и оксида азота гораздо больше в дизельных выхлопных газах, чем в бензиновых выхлопных газах. Эти данные были получены из проб, собранных в предварительно вакуумированные сосуды из нержавеющей стали. Улавливание летучих соединений из газовых проб не требуется, и анализ завершается через несколько минут. Все вышеперечисленные соединения обнаруживаются одновременно, что демонстрирует ценность SIFT-MS в этой области исследований.

Copyright 2002 John Wiley & Sons, Ltd.

Похожие статьи

  • Оперативный анализ выхлопных газов дизельных двигателей с помощью масс-спектрометрии с выбранными ионными расходомерами.

    Смит Д., Спанел П., Дабилл Д., Кокер Дж., Раджан Б.
    Смит Д. и др.
    Быстрый общественный масс-спектр. 2004;18(23):2830-8. doi: 10.1002/rcm.1702.
    Быстрый общественный масс-спектр. 2004.

    PMID: 15517528

  • Контроль выбросов альдегидов в дизельных двигателях на спиртовом топливе.

    Кришна М.В., Варапрасад К.М., Редди К.В.
    Кришна М.В. и др.
    J Environ Sci Eng. 2006 г., январь; 48 (1): 61-4.
    J Environ Sci Eng. 2006.

    PMID: 17913204

  • Контроль выбросов дизельных газов и твердых частиц с помощью мокрого электрофильтра трубчатого типа.

    Сайаситпанич П., Кинер Т.С., Лу М., Лян Ф., Кханг С.Дж.
    Сайаситпанич П. и соавт.
    J Air Waste Manag Assoc. 2008 г., октябрь; 58 (10): 1311-7.
    J Air Waste Manag Assoc. 2008.

    PMID: 18939778

  • Разработка профилей состава выхлопных газов органического происхождения для внедорожных двигателей и оборудования с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия.

    Reichle LJ, Cook R, Yanca CA, Sonntag DB.
    Reichle LJ и соавт.
    J Air Waste Manag Assoc. 2015 Октябрь; 65 (10): 1185-93. doi: 10.1080/10962247.2015.1020118.
    J Air Waste Manag Assoc. 2015.

    PMID: 26452015

    Обзор.

  • Выбранная масс-спектрометрия с ионным потоком (SIFT-MS) для оперативного анализа следовых газов.

    Смит Д., Спанел П.
    Смит Д. и др.
    Mass Spectrom Rev. 2005, сентябрь-октябрь; 24(5):661-700. doi: 10.1002/mas.20033.
    Масс-спектр, ред. 2005 г.

    PMID: 15495143

    Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

  • Избранная масс-спектрометрия с ионным потоком для целенаправленного анализа летучих органических соединений в дыхании человека.

    Беллуомо И., Бошир П.Р., Миридакис А., Вадхвана Б., Маркар С.Р., Спанел П., Ханна Г.Б.
    Беллуомо I и др.
    Нат Проток. 2021 июль; 16 (7): 3419-3438. doi: 10.1038/s41596-021-00542-0. Epub 2021 4 июня.
    Нат Проток. 2021.

    PMID: 34089020

  • Механизм репарации экзоциклических аддуктов гуанина, полученных из акролеина и малонового диальдегида, с помощью α-кетоглутарата / Fe (II) диоксигеназы AlkB.

    Сингх В., Феделес Б.И., Ли Д., Делани Дж.С., Козеков И.Д., Козекова А., Марнетт Л.Дж., Риццо С.Дж., Эссигманн Дж.М.
    Сингх В. и др.
    Хим. Рез. Токсикол. 2014 15 сентября; 27 (9): 1619-31. дои: 10.1021/tx5002817. Epub 2014 26 августа.
    Хим. Рез. Токсикол. 2014.

    PMID: 25157679Бесплатная статья ЧВК.

  • Акролеин уменьшает миграцию эндотелиальных клеток и чувствительность к инсулину посредством индукции let-7a.

Posted inДвигатель