de aandrijving van het voertuig wordt meestal verkregen door middel van motoren, ook bekend als prime movers, d.w.z. mechanische apparaten die in staat zijn om de chemische energie van een brandstof om te zetten in mechanische energie. Trouwens, de Engelse term “motor”, is waarschijnlijk een Franse oorsprong in het oude Franse woord “engin” die op zijn beurt wordt gedacht dat afkomstig is van het Latijnse “ingenium” (het delen van dezelfde wortel van “ingénieur” of “ingenieur”).
de chemische energie van de brandstof wordt eerst door verbranding omgezet in warmte en vervolgens door middel van een werkmedium omgezet in mechanische arbeid. Dit werkmedium kan een vloeistof of een gas zijn. De warmte die door verbranding wordt geproduceerd, verhoogt immers de druk of het specifieke volume, en dankzij de uitzetting wordt mechanisch werk verkregen.
in verbrandingsmotoren (ijs), de verbrandingsproducten (bv. lucht en brandstof) zelf worden gebruikt als het werkmedium, terwijl in externe verbrandingsmotoren, de verbrandingsproducten warmte overbrengen naar een ander werkmedium door middel van warmtewisselaar. Bovendien, terwijl in ijs de verbranding plaatsvindt in de cilinder, in externe verbrandingsmotoren, de verbranding wordt verkregen in een aparte kamer, meestal genoemd brander.
aangezien het verbrandingsproces van een ijs de kenmerken van het werkmedium verandert, kan cyclisch bedrijf alleen worden verkregen door periodieke vervanging van het werkmedium zelf, d.w.z. door een open cyclus. De term “cyclus” voor ijs verwijst dus naar de werkcyclus van de motor die periodiek moet worden vervangen, en niet naar een thermodynamische cyclus van de werkvloeistof. De brandstoffen moeten eigenschappen hebben die compatibel zijn met de werking van het ijs, wat betekent dat hun verbrandingsproducten moeten kunnen worden gebruikt als werkmedia (verbranding mag bijvoorbeeld geen As vormen zoals in uw schoorsteen, waardoor het motormechanisme vastzit).
verbrandingsmotoren
zuigermotoren worden gewoonlijk geselecteerd voor de aandrijving van voertuigen op de grond, met enkele uitzonderingen (elektromotoren voor tramwegen, trolleybussen of elektrische auto ‘ s), vanwege hun gunstige vermogensdichtheid en hun relatief lage productie-en servicekosten (in vergelijking met gasturbines bijvoorbeeld).
bij zuigerijs veroorzaakt de beweging van een zuiger in een cilinder die aan het andere uiteinde door de cilinderkop wordt gesloten, een cyclische variatie van het cilindervolume. De zuiger is verbonden met een stang en een kruk aan de as, waarvan de gestage rotatie een cyclische zuigerbeweging veroorzaakt tussen twee extreme posities, het bovenste dode Midden (TDC, het dichtst bij de cilinderkop) en het onderste dode Midden (BDC, grootste afstand van de cilinderkop). Deze twee posities komen respectievelijk overeen met het minimale cilindervolume (vrijloopvolume, Vc) en het maximale cilindervolume (totaalvolume, Vt). Het verschil tussen max en min volume wordt geveegd volume of cilinderverplaatsing genoemd en Vd genoemd. En tot slot wordt de verhouding tussen max en min volume compressieverhouding (RC) genoemd.
ICE-classificatie
verbrandingsmotoren kunnen in verschillende categorieën worden ingedeeld. De twee belangrijkste zijn gebaseerd op het verbrandingsproces (vonkontsteking vs.compressieontsteking) en op de werkcyclus (2 slagen vs. 4 slagen). Aanvullende classificatie kan worden gebaseerd op luchtinlaat (natuurlijke aanzuiging of turbo), brandstof (indirecte of directe injectie) en koelsysteem (luchtgekoeld of watergekoeld). In dit artikel worden alleen verschillen tussen verbrandingsprocessen gepresenteerd.
vonkontsteking en compressieontsteking
vonkontsteking
in motoren met vonkontsteking worden brandstoffen met een relatief lage reactiviteit gebruikt, zoals benzine, gecomprimeerd aardgas (CNG) of vloeibaar petroleumgas (GPL). Dergelijke brandstoffen worden met lucht gemengd om het brandbare, homogene lucht/brandstofmengsel te vormen en vervolgens in de motor samengeperst tot temperaturen van ongeveer 700 K (400 °C) en drukken van ongeveer 20 bar, zonder enige spontane ontbranding.
Dit gedrag kan worden uitgelegd aan de hand van de brandstof molecuul kenmerken: fossiele brandstoffen gebruikt in vonkontsteking (SI) motoren zijn gemaakt van de korte keten, stevige en compacte structuur van de moleculen (zoals CH4 voor CNG-of iso-octaan C8H18 voor benzine) voor dat zelfs bij hoge temperaturen en druk, de tijd die nodig is om de verbranding proces is vrij lang. Dit concept mag echter niet worden verward met het vermogen van een vloeibare brandstof om bij kamertemperatuur te verdampen en een brandbaar mengsel in de omgevingslucht te vormen. Dit vermogen is hoog met de benzine en bepaalt het explosiegevaar als een ontstekingsbron wordt verstrekt.
bij SI-motoren kan het verbrandingsproces dus alleen worden gestart (althans bij een klassieke verbranding) met een externe energiebron zoals een elektrische vonk. De energie die door de elektrische ontlading aan het mengsel wordt toegevoegd is klein (ongeveer 10 MJ magnitude), maar is hoe dan ook essentieel om het verbrandingsproces te starten.
vanaf de eerste kern die door de vonk wordt ontstoken, verspreidt de verbranding zich vervolgens door het mengsel: laag na laag reist het vlamfront door de kamer, voornamelijk dankzij een convectieve warmte-uitwisseling tussen brandgassen en vers mengsel, totdat de laatste zones (“eindgas” genoemd) ver van de vonk worden bereikt.
de vlamvoorsnelheid is ongeveer 20-40 m / s, en wordt sterk verhoogd met de turbulentie in het mengsel (de turbulentie verhoogt het oppervlak tussen vers en verbrand gas, waardoor de warmte-uitwisseling toeneemt en dus de vlamvoortplantingssnelheid). Aangezien de turbulentieintensiteit toeneemt met het motortoerental en het vlamvoortoerental evenredig is met de turbulentieintensiteit, zal het vlamvoortoerental toenemen met het motortoerental, waardoor de verkorting van de voor verbranding beschikbare tijd wordt gecompenseerd. Dankzij dit, is er bijna geen beperking in termen van motortoerental voor SI-motoren uit het oogpunt van verbranding (Formule 1-motor kan oplopen tot 20 000 omwentelingen per minuut).
het lucht / brandstofmengsel kan echter, wanneer het gedurende langere tijd op hoge temperaturen en drukken wordt gehouden, uiteindelijk zelfontbranding ondergaan. Om deze reden kunnen abnormale brandwonden optreden wanneer het eindgas automatisch spontaan ontbrandt voor de komst van het vlamfront. Deze abnormale verbranding veroorzaakt een plotselinge stijging van de cilinderdruk, gevolgd door drukgolven in de verbrandingskamer die door de motorstructuur naar de omgeving worden overgebracht. Dit wordt “Knock” genoemd en kan schade aan de zuiger en cilinder veroorzaken als gevolg van thermische vermoeidheidsspanningen. Om het optreden van knock te voorkomen, moet de SI-Motor voldoen aan een aantal beperkingen met betrekking tot de maximale vlamweglengte (die de maximale cilinderdiameter genaamd boring beperkt tot ongeveer 100 mm) en de maximaal toelaatbare temperatuur en druk van het (verse) eindgas (die zowel de compressieverhouding als de boostdruk beperken).
bovendien kunnen hoge waarden van de vlamsnelheid alleen worden bereikt als de lucht / brandstofverhouding vrij dicht bij de stoichiometrische verhouding ligt:daarom is het, wanneer een SI-motor moet worden gebruikt bij deellast, onmogelijk om alleen brandstof te verminderen terwijl de luchtmassa in de cilinder onveranderd blijft. Dan is het gebruik van een apparaat om de luchtmassastroom te verminderen nodig voor de belastingregeling (een inlaatgasklep wordt vaak gekozen), zelfs als dit leidt tot efficiëntiefouten bij deellast.
Stoichiometrie wordt gedefinieerd als het punt waar in het mengsel alle zuurstof wordt verbruikt en alle brandstof wordt verbrand. Voor benzine is de massaverhouding 14,7: 1 (14,7 gram lucht voor 1 gram brandstof).
compressieontsteking
wanneer brandstoffen met een hogere reactiviteit worden gebruikt, zoals diesel, kunnen deze niet met lucht worden gemengd en vervolgens in de cilinder worden samengeperst omdat anders het verbrandingsproces spontaan zou starten tijdens de compressieslag. Diesel is namelijk een mengsel van koolwaterstoffen dat kan worden vertegenwoordigd door het cetaan, C16H34, met een lange rechte keten molecuul waarin de eerste reacties van het oxidatieproces vrij snel bij hoge temperaturen en drukken verlopen.
daarom wordt dieselbrandstof direct voor het gewenste begin van de verbranding (bij klassieke dieselverbranding) in de reeds samengeperste lucht geïnjecteerd als een hogedrukvloeistofspray. De kleine brandstofdruppels (ongeveer 10 µm diameter), omgeven door hete perslucht (ongeveer 900 K), verdampen snel en het verbrandingsproces begint spontaan met een extreem korte ontstekingsvertraging.
Anders SI motoren, het verbrandingsproces in een dieselmotor kan zichzelf aanpassen van de eigenschappen van de beschikbare tijd uit te voeren verbranding in verband met het verhogen van motor toerental (d.w.z. de gewenste tijd voor brandstof verdamping, het mengen en de ontsteking vertraging zal niet de schaal met het verhogen van het motortoerental). Daarom kunnen deze motoren niet worden gebruikt bij snelheden hoger dan 5000 tpm.
ten slotte zijn er, anders dan SI-motoren, geen strenge eisen aan de lucht/brandstofverhouding voor dit soort verbranding. Bij deellast wordt de geïnjecteerde brandstofhoeveelheid verminderd met behoud van dezelfde hoeveelheid ingespoten lucht, zonder dat er een smoorinrichting nodig is en vervolgens zonder extra verlies.
bron: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas advies:
de twee meest voorkomende soorten verbranding (vonkontsteking en compressieontsteking) zijn tegenwoordig al lange tijd bekend en goed onder de knie. We bereiken echter de grenzen van die processen, aangezien de grenswaarden voor verontreinigende stoffen en brandstofverbruik die door normen worden vastgesteld, steeds lager worden. Het wordt steeds duurder om deze normen te halen, en sommige alternatieve verbrandingsprocessen en motorarchitecturen worden getest in laboratoria en onderzoekscentra. Denkt u dat Vonkontstekings-en compressieontstekingsmotoren zoals we ze tegenwoordig kennen, zullen worden vervangen door een aantal alternatieve oplossingen zoals CAI, PCCI, dual fuel combustion of andere?