محتوای این مقاله براساس گزارش ارزیابی فنی است که توسط Roush Industries به نمایندگی از CAELP در سال 2021 تکمیل شده است. به طور سیستماتیک مسیرهای فنی را برای موتورهای بنزین کارآمد در سال 2025 و بعد از آن مرتب می کند و فن آوری های کلیدی برای بهبود راندمان حرارتی و کاهش انتشار را نشان می دهد. بسیاری از این راه حل های فنی در بازار فعلی اجرا شده است.
1. فناوری رقیق کننده گاز مختلط
مقدار نسبت حرارت خاص از طریق EGR یا رقت هوا افزایش می یابد و در نتیجه میزان کار منتقل شده توسط پیستون در هنگام سکته مغزی را افزایش می دهد. شکل زیر تأثیر نسبت فشرده سازی (CR) و مقدار 𝛾 بر راندمان تبدیل سوخت چرخه حجم ثابت را نشان می دهد. مقدار مخلوط هوا تقریباً 1.4 است ، در حالی که مقادیر محصولات احتراق (دی اکسید کربن و بخار آب) پایین تر ، نزدیک به 1.3 است. مقدار 𝛾 مخلوط درون سیلندر رقیق شده با هوا در مقایسه با مخلوط رقیق شده با خنک کننده چرخش گاز اگزوز (CEGR) بیشتر است. این امر باعث می شود موتور با احتراق لاغر (رقیق هوا) تحت همان رقت معادل آن کارآمدتر شود (یعنی نسبت سوخت به مخلوط گاز غیر سوخت در سیلندر).
1. فناوری رقیق کننده گاز مختلط
مقدار نسبت حرارت خاص از طریق EGR یا رقت هوا افزایش می یابد و در نتیجه میزان کار منتقل شده توسط پیستون در هنگام سکته مغزی را افزایش می دهد. شکل زیر تأثیر نسبت فشرده سازی (CR) و مقدار 𝛾 بر راندمان تبدیل سوخت چرخه حجم ثابت را نشان می دهد. مقدار مخلوط هوا تقریباً 1.4 است ، در حالی که مقادیر محصولات احتراق (دی اکسید کربن و بخار آب) پایین تر ، نزدیک به 1.3 است. مقدار 𝛾 مخلوط درون سیلندر رقیق شده با هوا در مقایسه با مخلوط رقیق شده با خنک کننده چرخش گاز اگزوز (CEGR) بیشتر است. این امر باعث می شود موتور با احتراق لاغر (رقیق هوا) تحت همان رقت معادل آن کارآمدتر شود (یعنی نسبت سوخت به مخلوط گاز غیر سوخت در سیلندر).
1.1 اصلاح ویژه در سیلندر غیر کاتالیزوری (D-EGR)
سیستم اختصاصی EGR که توسط موسسه تحقیقاتی جنوب غربی (SWRI) ساخته شده است. این سیستم با تبدیل یک سیلندر به حالت احتراق غنی از روغن ، گاز اصلاح شده با غلظت بالای H₂ و CO تولید می کند. این گازهای اصلاح کننده در بنادر ورودی سایر سیلندرها و احتراق کامل در احتراق SI وارد می شوند [10]. آزمون تظاهرات SWRI D-EGR که بر روی موتور 2.4 لیتری PFI که به طور طبیعی آسپیراسیون انجام شده است ، نشان می دهد که مصرف سوخت بیش از 10 ٪ در طول محدوده عملیاتی موتور بهبود یافته است.
1.2 اصلاح حلقه گاز زباله کاتالیزوری
یکی از سیلندرها با نسبت سوخت لاغر عمل می کند و پس از احتراق یک فناوری تزریق سوخت ثانویه را اتخاذ می کند. گاز اگزوز از این سیلندر توسط بستر کاتالیزور درمان می شود و از طریق واکنشهای اندوترمیک ، گاز اصلاح کننده غنی از هیدروژن تولید می کند. در آزمایش موتور 2.0 لیتری GM ECOTEC LNF DI ، هنگامی که سرعت چرخش به 2000 دور در دقیقه رسید و مقدار افزایش 4 بار بود ، غلظت مصرف هیدروژن 5 ٪ حاصل شد. نسبت حجم چرخش گاز زباله از کمتر از 25 ٪ به بیش از 50 ٪ افزایش یافته است. راندمان این موتور در نقطه عملیاتی در مقایسه با مقدار معیار 8 ٪ افزایش یافته است.
2. بهینه سازی نسبت انبساط
موتور با نسبت فشرده سازی هندسی بالا اما نسبت فشرده سازی مؤثر پایین تر از نسبت انبساط مؤثر ، یک روش مؤثر برای بهبود بهره وری موتور است. در موتورهای تولید شده انبوه ، چرخه های بیش از حد گسترش معمولاً با بستن دریچه های ورودی از قبل (EIVC) یا به تأخیر انداختن شیرهای ورودی حاصل می شود. سکته مغزی کوتاهتر منجر به کاهش میزان فشرده سازی ناشی از موتور در هر چرخه می شود ، بنابراین یک موتور جابجایی بزرگتر برای حفظ همان سطح گشتاور/قدرت به عنوان موتورهای غیر اتکینسون/میلر مورد نیاز است. برای موتورهای توربوشارژ ، با افزایش فشار تقویت می توان از دست دادن حجم سکته مغزی دریافت کرد. موتورهای دارای چرخه میلر توربوشارژ دارای نسبت انبساط بالاتری و دمای اگزوز پایین تر هستند و در نتیجه تقاضا برای احتراق لاغر را کاهش می دهند.
یکی از چالش هایی که هنگام اتخاذ استراتژی های EIVC و LIVC با آن روبرو شد این است که تلاطم در پایان سکته مغزی فشرده سازی تضعیف می شود. شکل 6 در زیر تغییرات در انرژی جنبشی آشفته (TKE) در سیلندر را نشان می دهد که استراتژی های EIVC و LIVC در مقایسه با موتور مرجع اتخاذ می شوند. این کاهش در TKE منجر به کاهش بازده احتراق و بی ثباتی احتراق خواهد شد. در بعضی موارد ، در مقایسه با موتور معیار ، این حتی ممکن است منجر به کاهش کارایی و افزایش انتشار شود.
شکل زیر برنامه بهینه سازی طراحی مورد نیاز برای موتور B از نوع B نسل سوم EA888 (چهار سیلندر 2.0 لیتری) را برای حفظ سطح تلاطم درون سیلندر موتور چرخه غیر آسیل نسل قبلی نشان می دهد. این موتور برای دستیابی به چرخه میلر ، فناوری EIVC را اتخاذ می کند و لازم است تلاطم در داخل سیلندر و راندمان احتراق از طریق بهینه سازی طراحی موتور حفظ شود.
3. نسبت سکته مغزی استوانه کوچکتر
شکل زیر تغییرات در سه عامل اصلی را نشان می دهد که نسبت بهینه سکته مغزی یک موتور را تعیین می کند: سرعت پیستون ، نسبت سطح به سطح به حجم و افت فشار در هر دو طرف شیر ورودی. نسبت سکته مغزی بهینه توسط عوامل زیر تعیین می شود:
میانگین سرعت پیستون: هرچه سکته مغزی طولانی تر باشد ، سرعت پیستون متوسط بیشتر می شود ، در حالی که حداکثر سرعت موتور را محدود می کند. این که آیا این موتورهای توربوشارژ یا طبیعی آسپیراسیون هستند ، امروزه بیشتر آنها به حد بالایی از سرعت متوسط پیستون که فناوری فعلی می تواند به آن برسد (حدود 25 متر بر ثانیه) نرسیده است.
ویژگی های افت فشار دریچه ورودی: موتورهایی با طراحی نسبت مته بزرگ می توانند اندازه شیر را افزایش دهند و یک منطقه عبور جریان بزرگتر (یعنی منطقه جریان) را تشکیل دهند و از این طریق افت فشار را در هر دو انتهای شیر و بهبود راندمان حجمی کاهش می دهند. با این حال ، در سرعت بالا ، راندمان حجمی موتورهای نسبت مته کم کاهش می یابد ، و در نتیجه میرایی زودرس گشتاور و قدرت در محدوده سرعت موتور ایجاد می شود.
راندمان انتقال حرارت: نسبت فشرده سازی پایین تر (BSR) باعث کاهش سطح سطح به حجم محفظه احتراق (به ویژه در نزدیکی مرکز مرده بالایی احتراق) می شود و از این طریق اثر انتقال حرارت احتراق را تضعیف می کند. با افزایش نسبت فشرده سازی ، نسبت سطح به حجم محفظه احتراق رشد می کند و منجر به افزایش تلفات انتقال حرارت و جبران برخی از مزایای ناشی از بهبود کارایی می شود. این اثر به ویژه در موتورهای چرخه اتکینسون-میلر با نسبت فشرده سازی هندسی بسیار بالا قابل توجه است.
مقاومت در برابر انفجار ناشی از فاصله انتشار شعله: نسبت قطر سیلندر کوچکتر فاصله انتشار شعله را کوتاه می کند و در نتیجه باعث کاهش زمان انتشار گرما می شود (افزایش نسبت احتراق حجم ثابت). کوتاه شدن زمان احتراق نیز باعث کاهش انفجار خواهد شد (زمان رسیدن گاز ترمینال به وضعیت خودجوش کوتاه تر است). این باعث می شود نسبت فشرده سازی بالاتری امکان پذیر باشد.
تلاطم در سیلندر و میزان احتراق: با افزایش سرعت پیستون ، تلاطم در سیلندر شدت می یابد. هنگامی که مته و سکته مغزی نسبتاً کم است ، تحت همان سرعت چرخش و شرایط جابجایی ، سرعت چرخش پیستون در واقع بیشتر است. این تلاطم پیشرفته می تواند میزان احتراق را تسریع کرده و تمایل به انفجار را کاهش دهد (زیرا زمان رسیدن گاز ترمینال به وضعیت خود عصای کوتاه تر است). این موتور را قادر می سازد نسبت فشرده سازی بالاتری را اتخاذ کند.
4. بهینه سازی مدیریت حرارتی
یک موتور معمولی SI در هنگام احتراق مقدار زیادی گرما ایجاد می کند که حدود یک سوم به دیوار سیلندر منتقل می شود و یک سوم دیگر نیز به مایع خنک کننده از بین می رود. فن آوری های اصلی برای کاهش از دست دادن انتقال حرارت شامل موارد زیر است:
افزایش مخلوط لاغر نگهدارنده می تواند دمای احتراق را کاهش دهد ، در نتیجه تلفات انتقال حرارت را کاهش می دهد
موتورهای طراحی شده با نسبت سطح خاص سطح پایین (BSR) می توانند به طور موثری سطح سطح به حجم حجم محفظه احتراق را کاهش دهند و بیشتر تلفات انتقال حرارت را به حداقل برسانند
سیستم خنک کننده تقسیم - با تنظیم مدارهای خنک کننده مستقل برای بلوک سیلندر و سرسیلندر ، دمای مطلوب کار سرسیلندر سر و بلوک سیلندر قابل حفظ است. سرهای سیلندر درجه حرارت پایین می توانند از ضربات و پشتیبانی از عملکرد نسبت فشرده سازی بالا جلوگیری کنند. دیواره های سیلندر درجه حرارت بالا می توانند تلفات انتقال حرارت و اصطکاک پایین را کاهش دهند. سیستم خنک کننده تقسیم شده همچنین می تواند پیش گرم شدن محفظه احتراق را تسریع کند ، ثبات احتراق را تقویت کرده و انتشار گازهای گلخانه ای را در هنگام شروع سرما کاهش دهد.
روکش سد حرارتی ، از طریق ساختار کامپوزیتی از روکش های سرامیکی (مانند زیرکونیای تثبیت شده YSZ Yttria) و لایه های پیوند فلزی ، می تواند دمای دیواره محفظه احتراق را با 150-300 درجه کاهش داده و از طریق بلوک سیلندر و پیستون کاهش یابد (به حساب می آید 25-30 ٪ از دست دادن انرژی کامل).
خلاصه
شکل زیر تأثیر فن آوری های مختلف در هر لینک عملکرد موتور را خلاصه می کند. قسمت سبز اثرات مثبت را نشان می دهد ، در حالی که قسمت قرمز اثرات منفی را نشان می دهد. به عنوان مثال ، فناوری خنک کننده EGR می تواند ظرفیت گرمای خاص مخلوط را در سیلندر افزایش دهد ، تلفات انتقال حرارت را کاهش داده و از این طریق کارایی موتور را بهبود بخشد. با این حال ، در عین حال ، این فناوری تأثیر منفی بر ثبات احتراق و میزان احتراق خواهد داشت. بنابراین ، ترکیب آن با یک سیستم احتراق پر انرژی و طراحی موتور نسبت کم مته مزایای بیشتری خواهد داشت. برخی از فعل و انفعالات ضعیف در شکل نشان داده نشده است ، مانند تأثیر نسبت فشرده سازی (تحت همان نسبت سوراخ سیلندر) در پارامترهایی مانند انتقال حرارت.
