内燃機関入門

車両推進は、通常、原動機としても知られるエンジン、すなわち燃料の化学エネルギーを機械的エネルギーに変換することができる機械的装置によって得られる。 ところで、英語の用語”エンジン”は、順番にラテン語の”ingenium”(”ingénieur”または”engineer”の同じルートを共有する)から来ていると考えられている古いフランス語の単語”engin”にフ

燃料の化学エネルギーは、まず燃焼によって熱に変換され、その後、熱は作動媒体によって機械的な仕事に変換されます。 この作動媒体は、液体または気体とすることができる。 実際、燃焼によって生成される熱は、その圧力またはその比体積を増加させ、その膨張のおかげで、機械的作業が得られる。

内燃機関(ICE)では、燃焼生成物(例えば 外燃機関では、燃焼生成物は熱交換器によって異なる作動媒体に熱を伝達するが、それ自体が作動媒体として使用される。 さらに、氷の中で燃焼がシリンダーの中で起こる間、外燃機関では、燃焼は通常バーナーと呼ばれる別の部屋で得られる。

エンジンタイプの分類

氷の燃焼プロセスは作動媒体の特性を変化させるため、循環運転は作動媒体自体を定期的に交換すること、すなわち開 したがって、氷の用語「サイクル」は、作動流体の熱力学的サイクルではなく、定期的に交換されなければならないエンジンの作動サイクルを指す。 燃料は、その燃焼生成物が作動媒体として使用されることを可能にする必要があることを意味し、氷の操作と互換性のある特性を持っている必要があります(例えば、燃焼はエンジン機構の固着を引き起こすだろう、あなたの煙突のように灰を形成すべきではありません)。

内燃機関

レシプロ内燃機関は、通常、電力密度が良好で、製造コストとサービスコストが比較的低いため(ガスタービンなどと比較して)、いくつかの例外(路面電車、トロリーバス、電気自動車用の電動機)を除いて、地上車両の推進に選択される。

レシプロ氷では、シリンダヘッドによって反対側の端部で閉じたシリンダ内へのピストンの移動は、シリンダ容積の周期的な変化を生成する。 ピストンはロッドとクランクにシャフトに接続され、その定常回転は上死点(tdc、シリンダーヘッドに最も近い)と下死点(BDC、シリンダーヘッドからの最大距離)の二つの極端な位置の間で周期的なピストン運動を引き起こす。 これらの2つの位置は、それぞれ、最小シリンダ容積(クリアランス容積、Vc)および最大シリンダ容積(総容積、vt)に対応する。 最大容積と最小容積の差は、掃引容積またはシリンダ変位と呼ばれ、Vdと呼ばれます。 そして最後に、最大体積と最小体積の比は圧縮比(rc)と呼ばれます。

氷の定義

氷の分類

燃焼エンジンは、異なるカテゴリに分類することができます。 最も重要な2つは燃焼プロセス(火花点火対圧縮点火)と働く周期(2つの打撃対4つの打撃)に基づいています。 追加の分類は、吸気(自然吸気またはターボチャージャー)、燃料(間接または直接噴射)、および冷却システム(空冷または水冷)に基づいて行うことができます。 この記事では、燃焼プロセスの違いのみを紹介します。

氷分類

火花点火と圧縮点火

火花点火

火花点火エンジンでは、ガソリン、圧縮天然ガス(CNG)、液化石油ガス(GPL)など、比較的反応性の低い燃料が使用されている。 そのような燃料は空気と混合されて可燃性で均質な空気/燃料混合物を形成し、次いでエンジン内に圧縮されて約700K(400℃)の温度および約20barの圧力

この挙動は、燃料分子の特性に基づいて説明することができます:火花点火(SI)エンジンに使用される炭化水素燃料は、短鎖で剛性でコンパクトな構造分子(CNGのCH4やガソリンのイソオクタンC8H18など)で作られており、高温高圧でも燃焼プロセスを開始するのに必要な時間が非常に長い。 しかし、この概念は、液体燃料が室温で蒸発し、周囲の空気中で可燃性混合物を形成する能力と混同してはならない。 この機能はガソリンと高く、点火のもとが提供されれば爆発の危険を定める。

SIエンジンでは、燃焼プロセスは、電気火花などの外部エネルギー源でのみ(少なくとも古典的な燃焼の場合)開始することができます。 放電によって混合物に添加されるエネルギーは小さい(約10mJの大きさ)が、とにかく燃焼プロセスを開始するために不可欠である。
SIエンジンの火炎伝播

火花によって点火された最初のカーネルから、燃焼は混合物を通って広がります: 層の後の層は火花からの最後の地帯までの部屋、焼跡のガスと新しい混合物間の対流熱交換のおかげで、炎の前部移動(”端ガス”と呼ばれる)ずっと達され

火炎前方速度は約20-40m/sであり、混合物内部の乱流とともに大きく増加する(乱流は新鮮なガスと燃焼したガスとの間の表面積を増加させるため、熱交換が増加し、火炎伝播速度が増加する)。 乱流強度はエンジン速度とともに増加し、火炎前部速度は乱流強度に比例するので、火炎前部速度はエンジン速度とともに増加し、燃焼に利用可能 そのおかげで、燃焼の観点からSIエンジンのエンジン回転数にはほとんど制限がありません(Formula1エンジンは毎分20 000回転まで実行できます)。

しかし、高温高圧で長時間維持すると、最終的には自動点火を受ける可能性があります。 従って、異常な燃焼は端のガスの自動車が炎の前部の到着の前に自発的に発火するとき起こることができます。 この異常燃焼により、シリンダー圧力が急激に上昇し、燃焼室内の圧力波がエンジン構造を介して周囲の環境に伝達されます。 これは”ノック”と呼ばれ、熱疲労応力によるピストンとシリンダの損傷を引き起こす可能性があります。 ノックの発生を避けるために、SIエンジンは、最大火炎経路長(ボアと呼ばれる最大シリンダ直径を約100mmに制限する)と、エンド(新鮮な)ガスの最大許容温度と圧力(圧縮比と昇圧圧力の両方を制限する)に関するいくつかの制限に従わなければならない。

また、空燃比が化学量論比に非常に近い場合にのみ、火炎速度の高い値を達成することができます:したがって、SIエンジンを部品負荷で運転する必要がある場合、シリンダ内の空気量をそのまま維持しながら燃料だけを減らすことはできません。 そして、部品負荷時に効率の低下を引き起こしている場合でも、負荷制御(吸気スロットルが選択されることが多い)には、空気質量流量を低減するデバイ

化学量論は、混合物中ですべての酸素が消費され、すべての燃料が燃焼される点として定義されます。 ガソリンの場合、質量によって与えられる比は14.7:1(1グラムの燃料に対して14.7グラムの空気)である。

圧縮点火

圧縮点火シリンダー図面
ディーゼルなどの反応性の高い燃料を使用すると、空気と混合してシリンダー内に圧縮することはできません。 実際、ディーゼル燃料は、高温および圧力で酸化プロセスの予備反応が非常に迅速に進行する長い直鎖分子を有するセタン、C16h34で表すことができる炭化水素の混合物である。

したがって、ディーゼル燃料は、所望の燃焼開始直前(古典的なディーゼル燃焼の場合)に、既に圧縮空気中に高圧液体噴霧として噴射される。 熱い圧縮空気(約900K)に囲まれた小さな燃料液滴(直径約10μ m)は急速に蒸発し、燃焼プロセスは非常に短い点火遅延で自発的に開始されます。
燃焼室内の燃料噴霧進化
燃焼室内の温度進化

SIエンジンとは異なり、ディーゼルエンジンの燃焼プロセスは、エンジン回転数の増加に関連して燃焼を行うための利用可能な時間に自己調整することができない(すなわち、燃料の蒸発、混合、点火遅延に要求される時間は、エンジン回転数の増加に伴ってスケールダウンしない)。 従って、これらのエンジンは5000rpmより高い速度で作動させることができない。

最後に、SIエンジンとは異なり、この種の燃焼のための空気/燃料比の面で厳しい要件はありません。 次に部分の負荷で、注入された燃料の量は装置を絞るための必要性なしでそして加えられた損失なしで同じ量の誘導された空気を、維持している間

出典:Federico Millo教授,Politecnico di Torino

Romain Nicolas意見:

燃焼の最も一般的な二つのタイプ(火花点火と圧縮点火)は、長い間知られており、よく習得されています。 しかし、基準で設定された汚染物質や燃料消費量の制限がますます低くなっているため、これらのプロセスの限界に達しています。 それらの標準に達することはますます高価になりある代わりとなる燃焼プロセスおよびエンジンの建築は実験室および研究所でテストされて 私達がそれらを今日知っているように火花点火および圧縮点火エンジンがCAI、PCCI、二重燃料の燃焼または他のようなある代替解決と取替えられると

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