napęd pojazdu jest zwykle uzyskiwany za pomocą silników, znanych również jako prime movers, czyli urządzeń mechanicznych zdolnych do przekształcania energii chemicznej paliwa w energię mechaniczną. Nawiasem mówiąc, angielski termin „engine”, prawdopodobnie ma francuskie pochodzenie od starofrancuskiego słowa” engin”, które z kolei pochodzi od łacińskiego” ingenium „(dzielącego ten sam rdzeń” ingénieur „lub”inżynier”).
energia chemiczna paliwa jest najpierw przekształcana w ciepło poprzez spalanie, a następnie ciepło jest przekształcane w pracę mechaniczną za pomocą czynnika roboczego. Ten czynnik roboczy może być cieczą lub gazem. Rzeczywiście, ciepło wytwarzane przez spalanie zwiększa jego ciśnienie lub objętość właściwą, a dzięki jego rozprężaniu uzyskuje się pracę mechaniczną.
w silnikach spalinowych (ICE), produkty spalania (np. powietrze i paliwo) same są wykorzystywane jako czynnik roboczy, podczas gdy w silnikach spalania zewnętrznego produkty spalania przenoszą ciepło do innego czynnika roboczego za pomocą wymiennika ciepła. Co więcej, podczas gdy w lodzie spalanie odbywa się wewnątrz cylindra, w silnikach spalinowych zewnętrznych, spalanie uzyskuje się w osobnej komorze, Zwykle nazywanej palnikiem.
ponieważ proces spalania lodu zmienia charakterystykę czynnika roboczego, cykliczną pracę można uzyskać tylko poprzez okresową wymianę samego czynnika roboczego, tj. w cyklu otwartym. Termin „cykl” dla lodu odnosi się zatem do cyklu roboczego silnika, który musi być okresowo wymieniany, a nie do cyklu termodynamicznego płynu roboczego. Paliwa muszą mieć cechy zgodne z działaniem lodu, co oznacza, że ich produkty spalania powinny pozwalać na wykorzystanie ich jako medium roboczego (np. spalanie nie powinno tworzyć popiołów jak w kominie, co spowodowałoby przyklejenie się mechanizmu silnika).
silnik spalinowy wewnętrznego spalania
Silniki spalinowe tłokowe są zwykle wybierane do napędu pojazdów naziemnych z pewnymi wyjątkami (Silniki elektryczne do tramwajów, trolejbusów lub samochodów elektrycznych), ze względu na ich korzystną gęstość mocy oraz stosunkowo niskie koszty produkcji i obsługi (w porównaniu na przykład z turbinami gazowymi).
w lodzie tłokowym ruch tłoka do cylindra, zamkniętego na przeciwległym końcu przez głowicę cylindra, powoduje cykliczną zmianę objętości cylindra. Tłok jest połączony z prętem i korbą z wałem, którego stały obrót powoduje cykliczny ruch tłoka między dwoma skrajnymi pozycjami, górnym martwym środkiem (TDC, najbliżej głowicy cylindrów) i dolnym martwym środkiem (BDC, największa odległość od głowicy cylindrów). Te dwie pozycje odpowiadają odpowiednio minimalnej objętości cylindra (objętość luzu, Vc) i maksymalnej objętości cylindra (Objętość całkowita, VT). Różnica między objętością max i min nazywa się objętością skokową lub skokiem cylindra i nazywa się Vd. I wreszcie, stosunek objętości max i min nazywa się współczynnikiem kompresji (RC).
klasyfikacja lodu
silniki spalinowe można podzielić na różne kategorie. Dwa najważniejsze są oparte na procesie spalania (zapłon iskrowy vs. zapłon samoczynny) i na cyklu roboczym (2 suwy vs.4 suwy). Dodatkowa klasyfikacja może być oparta na wlocie powietrza (wolnossącym lub turbodoładowanym), tankowaniu (Wtrysk pośredni lub bezpośredni) i układzie chłodzenia (chłodzony powietrzem lub wodą). W artykule zaprezentowane zostaną jedynie różnice między procesami spalania.
zapłon iskrowy i samoczynny
zapłon iskrowy
w silnikach o zapłonie iskrowym stosuje się paliwa o stosunkowo niskiej reaktywności, takie jak benzyna, sprężony gaz ziemny (CNG) lub skroplony gaz ropopochodny (GPL). Takie paliwa są mieszane z powietrzem, tworząc palną, jednorodną mieszankę powietrze-paliwo, a następnie sprężane do silnika, aby osiągnąć temperaturę około 700 K (400 °C) i ciśnienie około 20 barów, bez samozapłonu.
to zachowanie można wyjaśnić na podstawie charakterystyki cząsteczek paliwa: paliwa węglowodorowe stosowane w silnikach o zapłonie iskrowym (SI) są zbudowane z krótkołańcuchowych, sztywnych i zwartych cząsteczek (takich jak CH4 dla CNG lub iso-Oktan C8H18 dla benzyny), dla których nawet w wysokich temperaturach i ciśnieniach czas potrzebny na rozpoczęcie procesu spalania jest dość długi. Koncepcji tej nie należy jednak mylić z zdolnością ciekłego paliwa do odparowania w temperaturze pokojowej i utworzenia w otaczającym powietrzu łatwopalnej mieszaniny. Zdolność ta jest wysoka w przypadku benzyny i określa zagrożenie wybuchem, jeśli zapewnione jest źródło zapłonu.
w silnikach SI proces spalania można zatem uruchomić tylko (przynajmniej w przypadku klasycznego spalania) z zewnętrznym źródłem energii, takim jak iskra elektryczna. Energia dodana do mieszaniny przez wyładowanie elektryczne jest niewielka (około 10 MJ wielkości), ale i tak jest niezbędna do rozpoczęcia procesu spalania.
od pierwszego jądra zapalonego przez iskrę, spalanie rozprzestrzenia się przez mieszaninę: warstwa po warstwie front płomienia przemieszcza się przez komorę, głównie dzięki konwekcyjnej wymianie ciepła między gazami palnymi a świeżą mieszaniną, aż do osiągnięcia ostatnich stref (zwanych „gazem końcowym”) odległych od iskry.
prędkość przedniego płomienia wynosi około 20-40 m / s i jest znacznie zwiększona wraz z turbulencją wewnątrz mieszaniny (turbulencja zwiększa powierzchnię między świeżym i spalonym gazem, dzięki czemu zwiększa się wymiana ciepła, a więc prędkość propagacji płomienia). Ponieważ intensywność turbulencji wzrasta wraz z prędkością silnika, a prędkość płomienia przedniego jest proporcjonalna do intensywności turbulencji, prędkość płomienia przedniego wzrasta wraz z prędkością silnika, kompensując w ten sposób skrócenie czasu dostępnego do spalania. Dzięki temu nie ma prawie żadnych ograniczeń w zakresie prędkości obrotowej silnika dla silników SI z punktu widzenia spalania (silnik Formuły 1 może pracować do 20 000 obrotów na minutę).
jednak mieszanka powietrzno-paliwowa, utrzymywana przez dłuższy czas w wysokich temperaturach i ciśnieniach, może ostatecznie ulec samozapłonowi. Z tego powodu nieprawidłowe spalanie może wystąpić, gdy gaz końcowy zapali się samoistnie przed nadejściem frontu płomienia. To nieprawidłowe spalanie powoduje nagły wzrost ciśnienia w cylindrze, a następnie fale ciśnienia wewnątrz komory spalania, które są przekazywane przez konstrukcję silnika do otaczającego środowiska. Nazywa się to” Knock ” i może spowodować uszkodzenie tłoka i cylindra z powodu naprężeń zmęczeniowych termicznych. Aby uniknąć uderzenia, silnik SI musi spełniać kilka ograniczeń dotyczących maksymalnej długości ścieżki płomienia (która ogranicza maksymalną średnicę cylindra zwaną otworem do około 100 mm) oraz maksymalnej dopuszczalnej temperatury i ciśnienia gazu końcowego (świeżego) (które ograniczają zarówno stopień sprężania, jak i ciśnienie doładowania).
co więcej, wysokie wartości prędkości płomienia można osiągnąć tylko wtedy, gdy stosunek powietrze/paliwo jest dość zbliżony do stosunku stechiometrycznego:w związku z tym, gdy silnik SI musi pracować przy częściowym obciążeniu, niemożliwe jest zredukowanie tylko paliwa przy zachowaniu niezmienionej masy powietrza do cylindra. Następnie do sterowania obciążeniem konieczne jest zastosowanie urządzenia do redukcji Masowego Przepływu Powietrza (często wybierana jest przepustnica wlotowa), nawet jeśli powoduje to kary za wydajność przy częściowym obciążeniu.
Stechiometria jest zdefiniowana jako punkt, w którym w mieszaninie zużywany jest cały tlen i spalane jest całe paliwo. W przypadku benzyny stosunek masy wynosi 14,7: 1 (14,7 grama powietrza na 1 gram paliwa).
zapłon samoczynny
gdy stosowane są paliwa o wyższej reaktywności, takie jak olej napędowy, nie można ich mieszać z powietrzem, a następnie sprężać do cylindra, ponieważ w przeciwnym razie proces spalania rozpocznie się spontanicznie podczas suwu sprężania. Rzeczywiście, olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów, które mogą być reprezentowane przez cetan, C16H34, z długą cząsteczką o prostym łańcuchu, w której wstępne reakcje procesu utleniania przebiegają dość szybko w wysokich temperaturach i ciśnieniach.
dlatego olej napędowy jest wtryskiwany jako wysokociśnieniowy strumień cieczy do już sprężonego powietrza, bezpośrednio przed pożądanym rozpoczęciem spalania (w przypadku klasycznego spalania oleju napędowego). Małe kropelki paliwa (około 10 µm średnicy), otoczone gorącym sprężonym powietrzem (około 900 K), szybko odparowują, a proces spalania rozpoczyna się spontanicznie z bardzo krótkim opóźnieniem zapłonu.
w przeciwieństwie do silników z silnikiem wysokoprężnym proces spalania w silniku wysokoprężnym nie może samodzielnie dostosować swojej charakterystyki do czasu dostępnego na przeprowadzenie spalania związanego ze wzrostem prędkości obrotowej silnika (tj. czas wymagany na odparowanie paliwa, mieszanie i opóźnienie zapłonu nie zmniejszy się wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika). W związku z tym silniki te nie mogą pracować przy prędkościach większych niż 5000 obr. / min.
wreszcie, w przeciwieństwie do silników SI, nie ma ścisłych wymagań w zakresie stosunku powietrza do paliwa dla tego rodzaju spalania. Przy częściowym obciążeniu ilość wtryskiwanego paliwa jest zmniejszana przy zachowaniu tej samej ilości powietrza wprowadzanego, bez potrzeby stosowania urządzenia dławiącego, a następnie bez dodatkowych strat.
źródło: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas opinia:
dwa najczęstsze rodzaje spalania (zapłon iskrowy i zapłon samoczynny) są dziś znane od dawna i dobrze opanowane. Osiągamy jednak granice tych procesów, ponieważ limity zanieczyszczeń i zużycia paliwa określone przez normy są coraz niższe. Osiągnięcie tych standardów staje się coraz bardziej kosztowne, a niektóre alternatywne procesy spalania i architektury silników są testowane w laboratoriach i ośrodkach badawczych. Czy uważasz, że silniki z zapłonem iskrowym i wysokoprężnym, jakie znamy obecnie, zostaną zastąpione przez alternatywne rozwiązania, takie jak Cai, PCCI, spalanie dwupaliwowe lub inne?