Spalinowy Silnik Przyszłości.pdf

(292 KB) Pobierz

spalinowy silnik przysz³oœci

109975443.051.png

109975443.061.png

109975443.070.png

109975443.080.png

109975443.010.png

109975443.011.png

109975443.012.png

109975443.013.png

109975443.014.png

109975443.015.png

109975443.016.png

109975443.017.png

109975443.018.png

109975443.019.png

109975443.020.png

109975443.021.png

109975443.022.png

109975443.023.png

109975443.024.png

109975443.025.png

109975443.026.png

109975443.027.png

109975443.028.png

109975443.029.png

spalinowy

przysz¸oæci

NAP¢DY O CZYSTYM SPALANIU I BEZISKROWYM ZAPüONIE

MOG SPROSTA NOWYM STANDARDOM EMISJI SPALIN Steven Ashley

aýdemu, kto prowadzi¸ co najmniej 20-letnie auto

osobowe, ci«ýarwk« lub motocykl znane jest pew-

nie zjawisko, ktre inýynierowie nazywaj samo-

zap¸onem: dokuczliwy i obecnie rzadki efekt pracy

silnika jeszcze przez kilka sekund po wy¸czeniu za-

p¸onu. Dziæ ten podstawowy proces spalania paliwa,

b«dcy przyczyn samozap¸onu, wzbudza zainteresowanie

konstruktorw i menedýerw przemys¸u samochodowego.

Spalanie polegajce na samoczynnym czy teý spr«ýeniowym

zap¸onie jednorodnej mieszanki (HCCI Ð homogeneous-

-charge compression-ignition combustion) by moýe pozwo-

li na stworzenie silnikw nowej klasy o ma¸ej emisji spalin

i niskim zuýyciu paliwa. Wielu specjalistw sdzi, ýe silniki t¸o-

kowe wykorzystujce HCCI osign dobre wskaniki zuýy-

cia paliwa silnikw dieslowskich, bez wyst«pujcej w nich

duýej emisji tlenkw azotu i sadzy.

Badacze zatrudnieni w najwi«kszych na æwiecie firmach

produkujcych samochody i silniki dieslowskie Ð znajc pla-

ny zaostrzenia norm dotyczcych emisji zanieczyszczeÄ i ma-

jc æwiadomoæ, ýe wprowadzenie technologii ogniw paliwo-

wych nadajcych si« do wykorzystania w praktyce w masowej

produkcji jest wciý odleg¸e [patrz: A. J. Appleby ãElektro-

chemiczne silniki samochodoweÓ; åwiat Nauki , wrzesieÄ

1999] Ð szukaj odpowiedzi na pytanie, czy technologia HCCI

b«dzie technicznie moýliwa i ekonomicznie op¸acalna w ska-

li produkcyjnej. Jeæli tak, to silniki wykorzystujce ten nowy

rodzaj spalania mog pos¸uýy jako pomost technologiczny po-

mi«dzy dzisiejszymi silnikami t¸okowymi, dieslowskimi i ben-

zynowymi o wysokiej emisji a ultraczystymi nap«dami jutra

bazujcymi na ogniwach paliwowych.

Silniki HCCI mog sta si« prze¸omem w przemyæle samo-

chodowym, a dowodem na to jest chociaýby obecnoæ licz-

nych obserwatorw na ostatnim æwiatowym kongresie So-

ciety of Automotive Engineers (SAE) w Detroit w 2001 roku.

Wskazuje na to teý znaczny wzrost liczby fachowych publika-

cji na ten temat Ð mwi Dennis Assanis, profesor inýynierii me-

chanicznej w University of Michigan w Ann Arbor i dyrektor

uniwersyteckiego Automotive Research Center. Ð Od 1995 ro-

ku, kiedy ukaza¸o si« zaledwie kilka artyku¸w o HCCI, obser-

wujemy wyk¸adniczy wzrost takich publikacji.

AmerykaÄski Departament Energetyki, ktry w 1997 roku

rozpocz¸ finansowanie prac badawczych dotyczcych HCCI,

ostatnio znacznie zwi«kszy¸ ærodki przeznaczane na ten cel.

Partnership for a New Generation of Vehicles (Partnerstwo na

rzecz Pojazdw Nowej Generacji) Ð konsorcjum badawczo-roz-

wojowe z udzia¸em rzdu, przemys¸u, naukowcw z uczelni

i inýynierw zajmujcych si« zaawansowan technologi po-

jazdw Ð opracowa¸o czteroletni akademicki program prac

SIERPIEÁ 2001 åWIAT NAUKI 39

silnik

K

109975443.030.png

nad nowatorskim procesem spalania, z budýetem 3 mln do-

larw. Jednoczeænie naukowcy z uczelni i przemys¸u przygo-

towali dla Kongresu USA raport o tej technologii. Temat wzbu-

dza wielkie zainteresowanie rwnieý w Japonii, gdzie

pionierzy technologii HCCI nazwali j aktywnym spalaniem

termoatmosferycznym, i w Europie, gdzie znana jest pod na-

zw sterowanego zap¸onu samoczynnego.

iloæci tlenku i dwutlenku azotu (oglnie NO x ). Jednoczeænie

poniewaý mieszanka w cylindrze jest dobrze zmieszana i nie za-

wiera nadmiaru paliwa, w wyniku jej spalania powstaje nie-

wiele czstek sadzy. Sprawnoæ silnika jest wysoka, poniewaý

proces spalania HCCI pozwala na zastosowanie wysokich jak

w dieslu stopni spr«ýania (dostarczajc wi«cej mocy na jed-

nostk« spalonego paliwa) i moc silnika HCCI da si« regulowa

jak w dieslu, bez d¸awienia uk¸adu zasysania, co eliminuje tzw.

straty ssania. W dodatku odpowiednio zaprojektowany silnik te-

go rodzaju moýe spala niemal kaýdy rodzaj paliwa opartego

na w«glowodorach lub nawet wodr.

Konstruktorzy pojazdw i naukowcy zajmujcy si« procesa-

mi spalania wiý duýe nadzieje z nowym typem silnika o spa-

laniu wewn«trznym, poniewaý obecne konfiguracje nap«du

nie sprostaj coraz ostrzejszym ograniczeniom emisji gazw

cieplarnianych, g¸wnie dwutlenku w«gla, oraz innych zanie-

czyszczeÄ, w tym NO x , czstek sta¸ych, tlenku w«gla i niespa-

lonych w«glowodorw. Silnik benzynowy pracuje w zbyt wy-

sokiej temperaturze i ma zbyt ma¸ sprawnoæ, aby spe¸ni te

wymagania. Ma¸a sprawnoæ prowadzi do zwi«kszonej pro-

dukcji dwutlenku w«gla, a w czasie spalania wysokotempera-

turowego powstaje zbyt duýo NO x . Takýe zuýywajcy ma¸o pa-

liwa silnik Diesla generuje zbyt duýo NO x i czstek sta¸ych.

Chociaý systemy dopalania katalitycznego daj nadziej«, ýe

spaliny wytwarzane w tych konwencjonalnych silnikach moý-

na b«dzie lepiej oczyszcza, to nie ma pewnoæci, ýe rezultat

okaýe si« zadowalajcy. Silniki benzynowe z bezpoærednim

wtryskiem zapewniaj lepsz sprawnoæ, ale poziomy emisji

NO x i w«glowodorw s niewiele niýsze niý w ich konwencjo-

nalnych benzynowych odpowiednikach. W tym przypadku

rwnieý niezb«dne s wyrafinowane uk¸ady wydechowe z do-

palaniem, a te wymagaj nowych rodzajw benzyny o ma¸ej

zawartoæci siarki, aby nie zatruwa katalizatorw.

Mimo istnienia alternatywnych technik nap«du warto po-

szukiwa ekonomicznej i bezpiecznej dla ærodowiska tech-

Czyste spalanie ubogiej mieszanki

HCCI MOûNA UWAûA za technologi« mieszan, ¸czc atrakcyj-

ne w¸aæciwoæci konwencjonalnych silnikw benzynowych

i dieslowskich, umoýliwiajc ekonomiczne zuýycie paliwa

i niemal zerow emisj« zanieczyszczeÄ. Z grubsza mwic, sil-

niki o spalaniu wewn«trznym moýna zaliczy do jednej z czte-

rech kategorii, okreælanych stopniem zmieszania si« paliwa

i powietrza w cylindrze oraz sposobem zapalania tej mieszan-

ki. Znajomy silnik benzynowy, w ktrym wczeæniej dok¸ad-

nie wymieszane paliwo i powietrze s zapalane przez æwiec«

zap¸onow, naleýy do kategorii silnikw z jednorodn mie-

szank z zap¸onem iskrowym. Silnik Diesla jest przyk¸adem

kategorii zap¸onu spr«ýeniowego mieszanki niejednorodnej:

paliwo jest wtryskiwane do cylindra podczas suwu spr«ýa-

nia i turbulentny przep¸yw miesza go stopniowo z powietrzem

aý do chwili, gdy wzrost temperatury spr«ýanej mieszanki

spowoduje jej zap¸on. W silniku benzynowym z bezpoæred-

nim wtryskiem wtryskiwane paliwo stopniowo miesza si«

z powietrzem aý do chwili zap¸onu przez iskr«, moýna wi«c

uwaýa go za silnik z niejednorodn mieszank o zap¸onie

iskrowym. Silnik z jednorodn mieszank o zap¸onie spr«ýe-

niowym naleýy do czwartej kategorii: wykorzystuje si« w nim

wczeæniej dok¸adnie zmieszane paliwo i powietrze, ktre s

spr«ýane przez t¸ok aý do momentu samozap¸onu.

Poniewaý iloæ spalanego paliwa jest w silniku HCCI ma¸a

w porwnaniu z iloæci powietrza, temperatura spalania po-

zostaje wzgl«dnie niska. To oznacza, ýe silnik wytwarza ma¸e

Silnik benzynowy

Silnik Diesla

40 åWIAT NAUKI SIERPIEÁ 2001

109975443.031.png

109975443.032.png

109975443.033.png

109975443.034.png

109975443.035.png

109975443.036.png

109975443.037.png

109975443.038.png

109975443.039.png

109975443.040.png

109975443.041.png

109975443.042.png

109975443.043.png

109975443.044.png

109975443.045.png

109975443.046.png

109975443.047.png

109975443.048.png

109975443.049.png

109975443.050.png

109975443.052.png

109975443.053.png

109975443.054.png

109975443.055.png

109975443.056.png

109975443.057.png

Silnik HCCI (jednorodna mieszanka, zap¸on spr«ýeniowy)

moýe sta si« kolejnym duýym prze¸omem.

niki indywidualnego transportu najbliýszej przysz¸oæci. Z po-

wodu ograniczeÄ magazynowania energii w bateriach elek-

trochemicznych samochody elektryczne maj obecnie zbyt

ma¸y zasi«g, w najlepszym przypadku do 260 km. Co wi«cej,

oglna ocena przydatnoæci samochodu elektrycznego, jeæli

wzi pod uwag« zanieczyszczanie ærodowiska, zaleýy od

metody wykorzystywanej do produkcji energii elektrycznej. Na

przyk¸ad rozpowszechnienie elektrowni w«glowych znacz-

nie zanieczyszczajcych ærodowisko w istotnym stopniu

zmniejsza korzyæci stosowania samochodw elektrycz-

nych. Wsp¸czesne elektryczne pojazdy hybrydowe [patrz:

TECHNIKA I BIZNES ãW oczekiwaniu na supersamochdÓ;

åwiat Nauki , czerwiec 1999], w ktrych zastosowano ma¸e

silniki o spalaniu wewn«trznym, wsp¸pracujce z silnikami

elektrycznymi i akumulatorami, wytwarzaj mniej zanieczysz-

czeÄ niý obecne samochody osobowe i ci«ýarwki, ale produ-

cenci musz znacznie do nich dop¸aca (nawet 10 tys. dola-

rw za sztuk«), aby mog¸y one konkurowa z pojazdami

konwencjonalnymi.

wed¸ug Paula Najta, szefa dzia¸u silnikw o zap¸onie iskro-

wym w General Motors Research and Development Center

w Warren w stanie Michigan, nowoczesne badania tego spe-

cyficznego spalania rozpocz«¸y si« pod koniec lat siedemdzie-

sitych. Zesp¸ kierowany przez Shigeru Onishi z Nippon

Clean Engine Company w Japonii donis¸ wwczas, ýe przed-

miotem ich badaÄ by¸o, jak to okreælili, aktywne spalanie ter-

moatmosferyczne w silnikach dwusuwowych. ãZamiast uni-

ka tego naturalnego trybu spalania, jak stwierdzi¸ Onishi,

sprbujmy to wykorzystaÓ Ð opowiada Najt, ktry koÄczy¸

magisterskie studia inýynierskie na pocztku lat osiemdziesi-

tych. On i jego koledzy podj«li wyzwanie, ale wkrtce stwier-

dzili, ýe znanymi im metodami sterowania silnikiem nie da si«

regulowa procesu samozap¸onu, gdy zmienia si« szybkoæ

obrotw silnika i jego obciýenie. Niestety, ten problem pozo-

staje nie rozwizany.

ãProces HCCI przebiega dobrze w laboratorium na dyna-

mometrze, kiedy wszystkie elementy silnika znajduj si« w rw-

nowadze termicznej Ð wyjaænia Thomas Asmus z Dzia¸u Ba-

daÄ w DaimlerChrysler Liberty and Technical Affairs

w Rochester Hills w Michigan. Ð Ale gdy w¸cza si« obciýenie,

aby silnik pracowa¸ w warunkach takich jak w pojedzie, to

silnik ma sk¸onnoæ do obniýania obrotw i zatrzymania si«. Je-

ýeli doda si« wi«cej paliwa, aby silnik poradzi¸ sobie ze zwi«k-

szonym obciýeniem, to pojawia si« bardzo silny efekt spalania

stukowego.Ó Niemal wszyscy eksperci s zdania, ýe silnik pra-

cujcy w trybie HCCI moýe ¸atwo ãrozbiec si«Ó, wydajc pot«ý-

ny, ¸omoczcy ha¸as, co koÄczy si« zniszczeniem maszyny.

Problemy z obciýeniem

W TEJ SYTUACJI inýynierowie poszukuj sposobw ulepszenia sil-

nikw o spalaniu wewn«trznym, aby umoýliwi przetrwanie

przemys¸u samochodowego na etapie przejæciowym niezb«d-

nym do opracowania ultraczystych systemw nap«dowych

nast«pnej generacji.

Spalanie HCCI by¸o z rýnych przyczyn przedmiotem za-

interesowania wielu wynalazcw i inýynierw XX wieku. Ale

KONCEPCJA ãMIESZAÁCAÓ Ð silnik HCCI (jednorodna

mieszanka, zap¸on spr«ýeniowy) moýna uwaýa

za hybryd« silnika benzynowego, czyli o zap¸onie

iskrowym, i silnika o zap¸onie spr«ýeniowym,

czyli silnika Diesla. Silniki benzynowe pracuj

na wst«pnie przygotowanej jednorodnej mieszance

paliwa, ktra jest wprowadzana do cylindra i wtedy

zapalana przez æwiec« zap¸onow, co wywo¸uje

przesuwanie si« czo¸a gorcego p¸omienia przez

¸adunek mieszanki w cylindrze. W silnikach Diesla

paliwo jest wtryskiwane do cylindra w czasie suwu

spr«ýania, gdzie cz«æciowo miesza si« z powietrzem

(wytwarzajc niejednorodn mieszank«), do chwili

gdy rosnca temperatura spowoduje samozap¸on.

HCCI ¸czy¸by cechy obu typw Ð silnika

benzynowego z mieszank paliwowo-powietrzn

i silnika Diesla z samozap¸onem w wyniku

spr«ýeniowego podgrzewania Ð w celu uzyskania

niskotemperaturowego procesu z rwnomiernym

spalaniem, ktry charakteryzuje si« zarwno dobrym

zuýyciem paliwa, jak i ma¸ emisj sadzy

oraz zwizkw azotu w spalinach.

Silnik HCCI

SIERPIEÁ 2001 åWIAT NAUKI 41

109975443.058.png

109975443.059.png

109975443.060.png

109975443.062.png

109975443.063.png

109975443.064.png

109975443.065.png

109975443.066.png

109975443.067.png

109975443.068.png

109975443.069.png

109975443.071.png

109975443.072.png

109975443.073.png

Fazy zap¸onu spr«ýeniowego

SPALANIE W GORCEJ STREFIE

Symulacje komputerowe przeprowadzone

w Lawrence Livermore National Laboratory

modeluj wzrost temperatury wewntrz

cylindra w silniku Diesla w Volkswagenie

TDI, gdy t¸ok wznosi si« i spr«ýa powietrze.

Rozk¸ad temperatur wewntrz silnika HCCI

ma ogromne znaczenie, poniewaý przebieg

procesu spalania zaleýy raczej od kinetyki

reakcji chemicznej, a nie od turbulencji

mieszanki, a kinetyka reakcji chemicznej

jest uzaleýniona od temperatury. Zap¸on

najwczeæniej nast«puje w najgor«tszych

strefach. W strefach ch¸odniejszych reakcja

moýe nie by kompletna, co powoduje

emisj« w«glowodorw i tlenku w«gla.

Najzimniejsze strefy wyst«puj tam, gdzie

paliwo styka si« ze æciankami cylindra.

Wed¸ug Asmusa, problem jest dwojaki. Po pierwsze, spa-

lanie HCCI zachodzi nadzwyczaj szybko. Gdy temperatura

w cylindrze silnika staje si« dostatecznie wysoka, ca¸a przy-

gotowana mieszanka paliwowo-powietrzna zapala si« w nim

jednoczeænie. ãW silnikach stosowanych w pojazdach spala-

nie musi by spokojniejsze, o przed¸uýonym czasie uwalnia-

nia ciep¸aÓ Ð wyjaænia Asmus. Projektanci silnikw uwaýaj,

ýe aby silnik osign¸ maksymaln sprawnoæ, proces zap¸o-

nu powinien zaczyna si« przy kcie obrotu wa¸u korbowego

10Ð15¡ przed grnym martwym punktem po¸oýenia t¸oka i

koÄczy si« dopiero po pewnym czasie od przekroczenia te-

go po¸oýenia. Jeýeli zap¸on zaczyna si« zbyt wczeænie, gor-

cy gaz dzia¸a na æcianki cylindra zbyt d¸ugo i nast«puje stra-

ta ciep¸a, co zmniejsza sprawnoæ. Jeýeli zap¸on zaczyna si«

zbyt pno, gorce gazy spalinowe nie rozpr«ýaj si« ca¸ko-

wicie i nie oddaj ca¸ej energii do t¸oka.

Po drugie Ð mwi Asmus Ð jeæli chodzi o HCCI ãbrak w nim

zdarzenia inicjujcego, jak iskra lub wtrysk paliwa, ktrych

uýywamy do regulacji momentu zap¸onuÓ w silnikach kon-

wencjonalnych. Aby utrzyma proces pod kontrol przy zmia-

nach szybkoæci i obciýenia (w warunkach pracy, ktre inýy-

nierowie nazywaj stanami przejæciowymi), silnik musi bardzo

szybko, pomi«dzy jednym i drugim cyklem pracy, zmienia

swoje parametry. Nikt jeszcze nie wie, jak tego dokona w spo-

sb niezawodny i tani. ãW przypadku HCCI Ð podkreæla Asmus

Ð nie jest oczywiste, co pos¸uýy do prostego i niezawodnego

sterowania przebiegiem zap¸onu.Ó

ãKorzyæci z HCCI s oczywiste, trudnoæ polega na kon-

trolowaniu procesu spalania HCCI. W¸aænie teraz zasadni-

cze znaczenie ma technologia. Obecnie bierze si« pod uwag«

wszystkie koncepcje sterowania, ktre 20 lat temu by¸y zbyt

æmia¸e. W porwnaniu z technologiami ogniw paliwowych

te metody i koszty ich wdroýenia nie wydaj si« przesadne.Ó

Ð twierdzi Najt.

Do tych wciý jeszcze nie potwierdzonych technik sterowa-

nia silnika naleýy uzmiennienie kta otwierania zaworw, kie-

dy to gorce, niedopalone czstki z poprzedniego cyklu s wpro-

wadzane do cylindra w celu kontrolowania fazy zap¸onu w

nast«pnym cyklu. Systemy zmiennego kta otwierania zawo-

rw s oparte na ãbezkrzywkowych mechanizmach rozrzduÓ,

w ktrych stosuje si« si¸owniki elektromagnetyczne, elektrohy-

drauliczne lub piezoelektryczne w miejsce krzywek i popycha-

czy mechanicznych. Aby jednak da¸o si« uzyska niezb«dny czas

reakcji silnika (od cyklu do cyklu), zawory musz porusza si«

nadzwyczaj szybko. Trudno zapewni poprawne dzia¸anie takie-

go mechanizmu przez wiele lat uýywania silnika.

Inna moýliwoæ, zdaniem Assanisa, to uýycie systemw o

zmiennym stopniu spr«ýania, w ktrych w czasie rzeczywistym

zmienia si« obj«toæ komory spalania i tym samym stopieÄ

spr«ýania. Efekt ten moýna uzyska przez odpowiedni dobr

czasw otwarcia i zamkni«cia zaworw lub przez zainstalo-

wanie t¸okw, zmieniajcych wysokoæ (mechanizmem har-

monijkowym, podobnym do miechw akordeonu) w reakcji

na zmiany ciænienia. Ta radykalna koncepcja badana jest

w University of Michigan we wsp¸pracy z Ford Motor Com-

pany i Federal Mogul Corporation.

SILNIK Z LUP Ð specjalne urzdzenie laboratoryjne w Lotus Enginee-

ring w Wielkiej Brytanii pozwala badaczom obserwowa wn«trze cylin-

dra silnika testowego, gdzie zachodzi spalanie HCCI lub jak mwi

Anglicy, sterowany samozap¸on.

42 åWIAT NAUKI SIERPIEÁ 2001

109975443.074.png

109975443.075.png

109975443.076.png

109975443.077.png

109975443.078.png

109975443.079.png

109975443.081.png

109975443.082.png

109975443.083.png

109975443.084.png

109975443.085.png

109975443.086.png

109975443.087.png

109975443.088.png

109975443.089.png

109975443.090.png

109975443.001.png

109975443.002.png

109975443.003.png

109975443.004.png

109975443.005.png

109975443.006.png

109975443.007.png

109975443.008.png

109975443.009.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Środki Myjące.pdf (1584 KB)
Ściśle Jawne - Nauka I Wywiad.pdf (258 KB)
Ściśle Tajne Życie Lwa Landaua.pdf (248 KB)
Śmiercionośne Tajemnice.pdf (112 KB)
Tajemnica Damasceńskiej Stali.pdf (895 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin