køretøjets fremdrift opnås normalt ved hjælp af motorer, også kendt som prime movers, dvs.mekaniske enheder, der er i stand til at omdanne den kemiske energi fra et brændstof til mekanisk energi. For øvrig har det engelske udtryk” motor “sandsynligvis en fransk oprindelse i det gamle franske ord” motor”, som igen menes at komme fra det latinske” ingenium “(der deler den samme rod af” ING lartnieur “eller”ingeniør”).
brændstofets kemiske energi omdannes først til varme gennem forbrænding, og derefter omdannes varmen til mekanisk arbejde ved hjælp af et arbejdsmedium. Dette arbejdsmedium kan være en væske eller en gas. Faktisk øger varmen produceret ved forbrænding sit tryk eller dets specifikke volumen, og takket være dens ekspansion opnås mekanisk arbejde.
i forbrændingsmotorer (ICE), forbrændingsprodukterne (f. eks. luft og brændstof) selv bruges som arbejdsmedium, mens forbrændingsprodukterne i eksterne forbrændingsmotorer overfører varme til et andet arbejdsmedium ved hjælp af varmeveksler. Mens forbrændingen i IS finder sted inde i cylinderen, i eksterne forbrændingsmotorer, opnås forbrændingen i et separat kammer, normalt kaldet brænder.
da forbrændingsprocessen for en ICE ændrer arbejdsmediets egenskaber, kan cyklisk drift kun opnås ved en periodisk udskiftning af selve arbejdsmediet, dvs.gennem en åben cyklus. Udtrykket” cyklus ” for ICE henviser således til motorens arbejdscyklus, som periodisk skal udskiftes, og ikke til en termodynamisk cyklus af arbejdsvæsken. Brændslerne skal have egenskaber, der er kompatible med ICE-drift, hvilket betyder, at deres forbrændingsprodukter skal tillade brug som arbejdsmedier (f.eks. forbrænding bør ikke danne aske som i din skorsten, hvilket ville medføre klæbning af motormekanismen).
forbrændingsmotor
frem-og tilbagegående forbrændingsmotorer vælges normalt til fremdrift af jordkøretøjer med nogle undtagelser (elektriske motorer til sporvogne, trolleybusser eller elbiler) på grund af deres gunstige effekttæthed og deres relativt lave fremstillings-og serviceomkostninger (sammenlignet med f.eks. gasturbiner).
i frem-og tilbagegående is frembringer bevægelsen af et stempel i en cylinder, lukket i den modsatte ende af cylinderhovedet, en cyklisk variation af cylindervolumen. Stemplet er forbundet med en stang og en krumtap til akslen, hvis stabile rotation forårsager en cyklisk stempelbevægelse mellem to ekstreme positioner, det øverste dødcenter (TDC, tættest på cylinderhovedet) og det nederste dødcenter (BDC, største afstand fra cylinderhovedet). Disse to positioner svarer henholdsvis til minimumscylindervolumen (frirumsvolumen, Vc) og til det maksimale cylindervolumen (total volumen, Vt). Forskellen mellem maks. og min. volumen kaldes fejet volumen eller cylinderforskydning og kaldes Vd. Og endelig kaldes forholdet mellem maks og min volumen kompressionsforhold (rc).
ICE klassificering
forbrændingsmotorer kan klassificeres i forskellige kategorier. De to vigtigste er baseret på forbrændingsprocessen (gnisttænding vs. kompressionstænding) og på arbejdscyklus (2 slag mod 4 slag). Yderligere klassificering kan baseres på luftindtag (naturligt aspireret eller turboladet), brændstof (indirekte eller direkte injektion) og kølesystem (luftkølet eller vandkølet). I denne artikel vil kun forskelle mellem forbrændingsprocesser blive præsenteret.
gnisttænding og kompressionstænding
gnisttænding
i gnisttændingsmotorer anvendes brændstoffer med relativt lav reaktivitet såsom bensin, komprimeret naturgas (CNG) eller flydende petroleumsgas (GPL). Sådanne brændstoffer blandes med luft for at danne den brændbare, homogene luft/brændstofblanding og komprimeres derefter ind i motoren for at nå temperaturer på omkring 700 K (400 liter C) og tryk omkring 20 bar uden nogen spontan antændelse.
denne opførsel kan forklares ud fra brændstofmolekylets egenskaber: kulbrintebrændstoffer, der anvendes i Gnisttændingsmotorer (SI), er lavet af kortkædede, stive og kompakte strukturmolekyler (såsom CH4 til CNG eller iso-oktan C8H18 til bensin), for hvilke selv ved høje temperaturer og tryk er den tid, der er nødvendig for at starte forbrændingsprocessen, ret lang. Dette koncept må dog ikke forveksles med et flydende brændstofs evne til at fordampe ved stuetemperatur og danne en brændbar blanding i den omgivende luft. Denne kapacitet er høj med brændstoffet og bestemmer eksplosionsfaren, hvis der er en antændelseskilde.
i Si-motorer kan forbrændingsprocessen således kun startes (i det mindste for en klassisk forbrænding) med en ekstern energikilde, såsom en elektrisk gnist. Den energi, der tilsættes blandingen ved den elektriske udladning, er lille (omkring 10 mJ størrelse), men er alligevel afgørende for at starte forbrændingsprocessen.
fra den første kerne antændt af gnisten spredes forbrændingen derefter gennem blandingen: lag efter lag bevæger flammefronten sig gennem kammeret, hovedsageligt takket være en konvektiv varmeveksling mellem forbrændingsgasser og frisk blanding, indtil de sidste områder (kaldet “slutgas”) langt fra gnisten er nået.
flammens fronthastighed er omkring 20-40 m/s og øges kraftigt med turbulensen inde i blandingen (turbulensen øger overfladearealet mellem frisk og brændt gas, således øges varmevekslingen og således flammeudbredelseshastigheden). Da turbulensintensiteten stiger med motorhastigheden, og flammens fronthastighed er proportional med turbulensintensiteten, vil flammens fronthastighed øges med motorhastigheden, hvilket kompenserer for reduktionen af den tid, der er til rådighed til forbrænding. Takket være det er der næsten ingen begrænsning med hensyn til motorhastighed for SI-motorer fra forbrændingssynspunktet (Formel 1-motor kan køre op til 20 000 omdrejninger pr.
imidlertid kan luft/brændstofblandingen, når den opretholdes ved høje temperaturer og tryk i længere tid, til sidst gennemgå automatisk tænding. Af denne grund kan unormale forbrændinger forekomme, når slutgas auto antændes spontant inden flammefrontens ankomst. Denne unormale forbrænding forårsager en pludselig stigning i cylindertrykket efterfulgt af trykbølger inde i forbrændingskammeret, der overføres gennem motorstrukturen til det omgivende miljø. Dette kaldes” Knock ” og kan forårsage skader på stemplet og cylinderen på grund af termiske udmattelsesspændinger. For at undgå forekomsten af Banke skal si-motoren overholde adskillige begrænsninger vedrørende den maksimale flammebanelængde (der begrænser den maksimale cylinderdiameter kaldet boring til ca.100 mm) og den maksimale tilladte temperatur og tryk for den endelige (friske) gas (der begrænser både kompressionsforholdet og boosttrykket).
desuden kan høje værdier af flammehastighed kun opnås, hvis luft / brændstofforholdet er ret tæt på det støkiometriske forhold:derfor, når en SI-motor skal betjenes ved delbelastning, er det umuligt at reducere bare brændstof, mens luftmassen opretholdes uændret i cylinderen. Derefter er brug af en enhed til at reducere luftmassestrømmen nødvendig til belastningskontrol (en indtagsgas vælges ofte), selvom det forårsager effektivitetsstraffe ved delbelastning.
Støkiometri defineres som det punkt, hvor alt ilt forbruges i blandingen, og alt brændstof brændes. For bensin er forholdet givet ved masse 14,7: 1 (14,7 gram luft til 1 gram brændstof).
kompressionstænding
når der anvendes brændstoffer med højere reaktivitet, såsom diesel, kan de ikke blandes med luft og derefter komprimeres ind i cylinderen, fordi forbrændingsprocessen ellers ville starte spontant under kompressionsslaget. Faktisk er dieselolie en blanding af carbonhydrider, der kan repræsenteres af cetanen, C16H34, med et langt lige kædemolekyle, hvor de indledende reaktioner af iltningsprocessen fortsætter ret hurtigt ved høje temperaturer og tryk.
derfor injiceres diesel som en højtryksvæskespray i den allerede trykluft umiddelbart før den ønskede forbrændingsstart (i tilfælde af klassisk dieselforbrænding). De små brændstofdråber (omkring 10 liter diameter), omgivet af varm trykluft (omkring 900 K), fordampes hurtigt, og forbrændingsprocessen starter spontant med en ekstremt kort tændingsforsinkelse.
i modsætning til si-motorer kan forbrændingsprocessen i dieselmotor ikke selvjustere sine egenskaber til den tilgængelige tid til at udføre forbrænding relateret til stigning i motorhastigheden (dvs.den tid, der kræves for fordampning, blanding og tændingsforsinkelse af brændstof, skaleres ikke med stigende motorhastighed). Derfor kan disse motorer ikke betjenes ved hastigheder højere end 5000 omdr. / min.
endelig, forskelligt fra SI-motorer, er der ingen strenge krav med hensyn til luft/brændstofforhold for denne form for forbrænding. Ved delbelastning reduceres den indsprøjtede brændstofmængde, samtidig med at den samme mængde induceret luft opretholdes uden behov for gasspjæld og derefter uden yderligere tab.
kilde: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas udtalelse:
de to mest almindelige typer forbrænding (gnisttænding og kompressionstænding) er i dag kendt siden lang tid og godt mestret. Vi når imidlertid grænserne for disse processer, da de forurenende stoffer og brændstofforbrugsgrænser, der er fastsat ved standarder, bliver lavere og lavere. Det bliver mere og mere dyrt at nå disse standarder, og nogle alternative forbrændingsprocesser og motorarkitekturer testes i laboratorier og forskningscentre. Tror du, at Gnisttændings-og kompressionstændingsmotorer, som vi kender dem i dag, vil blive erstattet af nogle alternative løsninger som CAI, PCCI, dobbeltbrændstofforbrænding eller andet?