fordonets framdrivning erhålls vanligtvis med hjälp av motorer, även kända som prime movers, dvs mekaniska anordningar som kan omvandla den kemiska energin hos ett bränsle till mekanisk energi. Förresten, den engelska termen ”motor”, kommer sannolikt att ha ett franskt ursprung i det gamla franska ordet” engin ”som i tur och ordning tros komma från det latinska” ingenium ”(delar samma rot av” Ing jacuzzin ”eller”ingenjör”).
bränslets kemiska energi omvandlas först till värme genom förbränning, och sedan omvandlas värmen till mekaniskt arbete med hjälp av ett arbetsmedium. Detta arbetsmedium kan vara en vätska eller en gas. Faktum är att värmen som produceras genom förbränning ökar sitt tryck eller dess specifika volym, och tack vare sin expansion erhålls mekaniskt arbete.
i förbränningsmotorer (ICE), förbränningsprodukterna (t. ex. luft och bränsle) själva används som arbetsmedium, medan förbränningsprodukterna i externa förbränningsmotorer överför värme till ett annat arbetsmedium med hjälp av värmeväxlare. Dessutom, medan I is förbränningen sker inuti cylindern, i externa förbränningsmotorer, erhålls förbränningen i en separat kammare, vanligtvis kallad brännare.
eftersom förbränningsprocessen för en ICE ändrar arbetsmediet kan cyklisk drift endast erhållas genom en periodisk ersättning av själva arbetsmediet, dvs. genom en öppen cykel. Termen” cykel ” för ICE hänvisar således till motorns arbetscykel som regelbundet måste bytas ut och inte till en termodynamisk cykel för arbetsvätskan. Bränslena måste ha egenskaper som är kompatibla med ICE-drift, vilket innebär att deras förbränningsprodukter ska kunna användas som arbetsmedium (t.ex. förbränning bör inte bilda aska som i din skorsten, vilket skulle orsaka att motorns mekanism fastnar).
förbränningsmotor
fram-och återgående förbränningsmotorer väljs vanligtvis för framdrivning av markfordon med vissa undantag (elmotorer för spårvägar, vagnbussar eller elbilar) på grund av deras gynnsamma effekttäthet och deras relativt låga tillverknings-och servicekostnader (jämfört med gasturbiner till exempel).
i fram-och återgående Is ger rörelsen av en kolv till en cylinder, stängd i motsatt ände av cylinderhuvudet, en cyklisk variation av cylindervolymen. Kolven är ansluten till en stång och en vev till axeln, vars stadiga rotation orsakar en cyklisk kolvrörelse mellan två extrema positioner, det övre dödcentrumet (TDC, närmast cylinderhuvudet) och det nedre dödcentrumet (BDC, största avståndet från cylinderhuvudet). Dessa två lägen motsvarar den minsta cylindervolymen (frigöringsvolym, Vc) respektive den maximala cylindervolymen (total volym, Vt). Skillnaden mellan max och min volym kallas svepad volym eller cylinderförskjutning och heter Vd. Och slutligen kallas förhållandet mellan max och min volym kompressionsförhållande (rc).
ICE klassificering
förbränningsmotorer kan klassificeras i olika kategorier. De två viktigaste är baserade på förbränningsprocessen (gnisttändning mot kompressionständning) och på arbetscykel (2 slag mot 4 slag). Ytterligare klassificering kan baseras på luftintag (naturligt aspirerat eller turboladdat), bränslepåfyllning (indirekt eller direkt injektion) och kylsystem (luftkyld eller vattenkyld). I denna artikel kommer endast skillnader mellan förbränningsprocesser att presenteras.
gnisttändning och kompressionständning
gnisttändning
i gnisttändningsmotorer används bränslen med relativt låg reaktivitet som bensin, komprimerad naturgas (CNG) eller flytande petroleumgas (GPL). Sådana bränslen blandas med luft för att bilda den brännbara, homogena luft / bränsleblandningen och komprimeras sedan in i motorn för att nå temperaturer på cirka 700 K (400 kcal C) och tryck på cirka 20 bar, utan någon spontan antändning.
detta beteende kan förklaras på grundval av bränslemolekylens egenskaper: kolvätebränslen som används i gnisttändningsmotorer (SI) är gjorda av kortkedjiga, styva och kompakta strukturmolekyler (som CH4 för CNG eller iso-oktan C8H18 för bensin) för vilka även vid höga temperaturer och tryck är den tid som behövs för att starta förbränningsprocessen ganska lång. Detta koncept får emellertid inte förväxlas med förmågan hos ett flytande bränsle att avdunsta vid rumstemperatur och bilda en brännbar blandning i den omgivande luften. Denna förmåga är hög med bensinen och bestämmer explosionsrisken om en antändningskälla tillhandahålls.
i SI-motorer kan förbränningsprocessen således endast startas (åtminstone för en klassisk förbränning) med en extern energikälla som en elektrisk gnista. Den energi som tillsätts blandningen genom den elektriska urladdningen är liten (cirka 10 MJ magnitud) men är ändå nödvändig för att starta förbränningsprocessen.
från den första kärnan som antänds av gnistan sprider förbränningen sedan genom blandningen: skikt efter skikt färdas flamfronten genom kammaren, främst tack vare en konvektiv värmeväxling mellan bränngaser och färsk blandning, tills de sista zonerna (kallad ”ändgas”) långt från gnistan nås.
flammans främre hastighet är ca 20-40 m/s och ökas kraftigt med turbulensen inuti blandningen (turbulensen ökar ytan mellan färsk och bränd gas, så värmeväxlingen ökar och så flamförökningshastigheten). Eftersom turbulensintensiteten ökar med motorvarvtalet och flamhastigheten är proportionell mot turbulensintensiteten, kommer flamhastigheten att öka med motorvarvtalet, vilket kompenserar minskningen av tiden som är tillgänglig för förbränning. Tack vare det finns det nästan ingen begränsning när det gäller motorvarvtal för SI-motorer ur förbränningssynpunkt (Formel 1-motor kan köra upp till 20 000 varv per minut).
emellertid kan luft/bränsleblandningen, när den hålls vid höga temperaturer och tryck under en längre tid, så småningom genomgå automatisk antändning. Av denna anledning kan onormala förbränningar uppstå när slutgasautomaten antänds spontant före flamfrontens ankomst. Denna onormala förbränning orsakar en plötslig ökning av cylindertrycket följt av tryckvågor inuti förbränningskammaren som överförs genom motorstrukturen till omgivningen. Detta kallas” Knock ” och kan orsaka skador på kolven och cylindern på grund av termiska utmattningsspänningar. För att undvika att det knackar måste si-motorn uppfylla flera begränsningar avseende den maximala flambanlängden (som begränsar den maximala cylinderdiametern som kallas borrning till cirka 100 mm) och den maximala tillåtna temperaturen och trycket för ändgasen (färsk) (som begränsar både kompressionsförhållandet och boosttrycket).
dessutom kan höga värden på flamhastighet endast uppnås om luft / bränsleförhållandet ligger ganska nära det stökiometriska förhållandet:därför, när en SI-motor måste drivas vid delbelastning, är det omöjligt att minska bara bränsle samtidigt som luftmassan förblir oförändrad i cylindern. Sedan behövs användning av en anordning för att minska luftmassflödet för lastkontroll (en insugningsgas väljs ofta) även om det orsakar effektivitetsstraff vid dellast.
stökiometri definieras som den punkt där allt syre förbrukas i blandningen och allt bränsle bränns. För bensin är massförhållandet 14,7: 1 (14,7 gram luft för 1 gram bränsle).
kompressionständning
när bränslen med högre reaktivitet används, såsom diesel, kan de inte blandas med luft och sedan komprimeras in i cylindern eftersom annars skulle förbränningsprocessen starta spontant under kompressionsslaget. Dieselbränsle är faktiskt en blandning av kolväten som kan representeras av cetan, C16H34, med en lång rak kedjemolekyl där de preliminära reaktionerna i oxidationsprocessen fortsätter ganska snabbt vid höga temperaturer och tryck.
därför injiceras dieselbränsle som en högtrycksvätskespray i den redan komprimerade luften, omedelbart före önskad förbränningsstart (vid klassisk dieselförbränning). De små bränsledropparna (cirka 10 kcal diameter), omgivna av varm tryckluft (cirka 900 K), avdunstar snabbt och förbränningsprocessen börjar spontant med en extremt kort tändningsfördröjning.
till skillnad från SI-motorer kan förbränningsprocessen i dieselmotorn inte självjustera sina egenskaper till tillgänglig tid för att utföra förbränning relaterad till ökning av motorvarvtalet (dvs. tid som begärs för bränsleindunstning, blandning och tändningsfördröjning kommer inte att minska med ökande motorvarvtal). Därför kan dessa motorer inte köras med hastigheter högre än 5000 rpm.
slutligen, till skillnad från SI-motorer, finns det inga strikta krav när det gäller luft/bränsleförhållande för denna typ av förbränning. Vid dellast reduceras den injicerade bränslemängden samtidigt som samma mängd inducerad luft bibehålls, utan behov av strypningsanordning och sedan utan någon extra förlust.
källa: Prof.Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas yttrande:
de två vanligaste typerna av förbränning (gnisttändning och kompressionständning) är idag kända sedan en lång tid och väl behärskar. Vi når dock gränserna för dessa processer eftersom de föroreningar och bränsleförbrukningsgränser som fastställs av standarder blir lägre och lägre. Det blir allt dyrare att nå dessa standarder, och vissa alternativa förbränningsprocesser och motorarkitekturer testas i laboratorier och forskningscentra. Tror du att gnisttändning och kompressionständningsmotorer som vi känner dem idag kommer att ersättas av några alternativa lösningar som CAI, PCCI, dual fuel combustion eller annat?