Technologie nízkoteplotního spalování: co to je?

Jak víte, některé značky se znovu dívají na své benzínové motory, jakmile pomine fáze znečišťování nafty a kvůli problémům/ceně elektrických. Spalovací motory tedy nejsou mrtvé, ani zdaleka ne. Zde ukážu koncept nízkoteplotního spalování, slibná technologie, která může tomuto odvětví hodně přispět.

Pamatujte, že ICE jsou stále stroje založené na principy termodynamikya proto jsou kritické teplotní změny. Odtud pochází tento koncept nebo chlazení paliva, které některé týmy F1 v minulosti dělaly pro zlepšení výkonu, prostřednictvím mnoha dalších „triků“...

Potřeba čistších motorů

Jak víte, automobilový průmysl aktivně zkoumá pokročilé strategie spalování, jako je např případ nízkoteplotního spalování nebo také známého jako LTC (Low-Temperature Combustion). Tato revoluční technologie má velký potenciál, a proto se na ni zaměříme, abychom dosáhli cíle čistších a účinnějších motorů, a tak to chtějí nové emisní předpisy.

Dominance fosilních paliv v sektoru dopravy vedla k nárůstu emise skleníkových plynů a znečištění ovzduší, zejména u dieselových motorů, které byly tolik podporovány vládami a nyní jsou napadány ve prospěch benzínových. Mezi nejvíce znepokojující plyny patří oxid dusíku, oxid uhelnatý, oxid uhličitý a také další částice, které mohou způsobit značné zdravotní problémy.

Pokud se chcete setkat více o emisích si můžete přečíst tento další článek...

Mezinárodní energetická agentura předpovídá, že celosvětová poptávka po energii se do roku 2035 výrazně zvýší, doprovázená možným 20% nárůstem emisí CO2. V oblasti motorů se zdá, že alternativní paliva nestačí, stejně jako hybridní motory nebo drahá elektrická řešení. To je důvod, proč může být LTC tolik příslibem pro generování stále výkonnějších, účinnějších a benzinových motorů s nižšími emisemi.

Nízkoteplotní spalování (LTC)

L LTC motory Fungují na základních principech tradičních čtyřdobých motorů, ale s klíčovými rozdíly ve spalovacím procesu. Na rozdíl od dieselových motorů (Diesel Cycle) a konvenčních zážehových nebo benzínových motorů (Otto Cycle) LTC dosahuje spalování při výrazně nižších teplotách. Tento přístup nabízí několik výhod:

• Vyšší tepelná účinnost: Díky absenci výrazného čela plamene a téměř konstantnímu objemovému spalování dosahují motory LTC vyšší tepelné účinnosti ve srovnání s běžnými motory. To se promítá do lepšího využití paliva a snížení emisí CO2.
• Snížené emise- Nižší teploty spalování u LTC motorů minimalizují tvorbu NOx. Absence bohaté palivové směsi navíc zabraňuje tvorbě sazí, což výrazně snižuje emise PM, tedy suspendované částice, které také vycházejí z výfukového potrubí.
• Flexibilita paliva: mají větší toleranci vůči palivům ve srovnání s tradičními motory. Mohou jezdit na širší škálu paliv, včetně benzínu, nafty, biopaliv a alkoholů, jako je etanol. Tato flexibilita poskytuje odolnost vůči budoucímu nedostatku paliva a umožňuje integraci alternativních paliv.

Proces spalování LTC

Motory LTC dosahují spalování prostřednictvím řady kroky nebo etapy:

1. Příprava zředěné směsi paliva a vzduchu- Recirkulace výfukových plynů (EGR) hraje klíčovou roli pro dosažení správného spalování u LTC motorů. EGR ředí přiváděný vzduch výfukovými plyny, snižuje maximální teplotu spalování a řídí rychlost uvolňování tepla.
2. Samovznícení na více místech- Když píst stlačuje zředěnou směs paliva a vzduchu, dosáhne stavu, kdy dojde k samovznícení současně na více místech ve válci (horká místa). To je na rozdíl od konvenčních motorů, kde spalování začíná v jediném bodě (zapalovací svíčka u zážehových motorů nebo bod vstřiku paliva u dieselových motorů).
3. Přesná regulace rychlosti uvolňování tepla- Přesné řízení rychlosti uvolňování tepla (HRR) je zásadní pro optimalizaci účinnosti a minimalizaci emisí. HRR u LTC motorů ovlivňuje několik faktorů, jako je kompresní poměr, teplota vstupní náplně a rychlost EGR.

V případě, že jste nevěděli, HRR je zkratka pro Heat Release Rate. Udává, jak rychle se tepelná energie uvolňuje, když palivo hoří uvnitř válce. To je důležité z několika důvodů. Na jedné straně se při optimální HRR zvyšuje účinnost přeměny mezi chemickou energií paliva a mechanickou prací, na druhé straně se generováním pomalého HRR snižují emise, tvorba NOx není tak příznivá. A konečně je vylepšen také točivý moment, výkon a vibrace motoru.

Typy LTC

V rámci této kategorie existují různé strategie spalování Liší se způsobem přípravy směsi vzduchu a paliva a zahájením spalování:

• HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition): Směs vzduchu a paliva se před lisováním připraví homogenně. Směs se samovznítí díky stlačení, bez potřeby jiskry. Tím je dosaženo nízké tvorby NOx a PM a vysoké tepelné účinnosti, ale je obtížné řídit spalování.
• PCCI (částečně předem smíchané kompresní zapalování): v tomto případě je část směsi vzduch-palivo předmíchána a další je vstřikována přímo do spalovací komory. Předmíchaná směs se nejprve zapálí, poté následuje spalování přímo vstřikované části. Tím je dosaženo lepší kontroly spalování ve srovnání s HCCI.
• RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition): Používají se dvě paliva s různou reaktivitou. Spalování je řízeno úpravou poměru dvou paliv, což umožňuje modulovat rychlost reakce a náběh hoření. To znamená, že na jedné straně máme palivo s nízkou reaktivitou, známé jako LRF (například jako benzín nebo etanol), a na druhé straně máme palivo s vysokou reaktivitou, známé jako HRC (například nafta nebo bionafta). . Zatímco LRF je vstřikován do sacího potrubí nebo sacího otvoru, HRC je vstřikován přímo do spalovací komory. Má výhodu předchozích, ale je dražší a složitější, protože musíte spravovat dvě paliva a ne jedno a ovládat poměr LRF:HRC.

Ačkoli zde není příliš mnoho podrobností, zdá se, že Mazda ve svých motorech prodávaných s technologií Skyactiv-X použila typ technologie LTC, i když to vypadá spíše jako směs technologií známých jako SPCCI (Spark Controlled Compression Ignition), tzn. , zapalování jiskrově řízenou kompresí a které kombinuje tyto dva způsoby zapalování pro zapálení malého množství vzduch-palivo jiskrou a zbytek paliva se samovznítí v důsledku vysokého tlaku a teploty vyplývající z počátečního spalování .

Výzvy

Přestože LTC nabízí velký potenciál pro snížení emisí a zlepšení účinnosti spalovacích motorů, stále je existují výzvy které je třeba řešit pro implementaci ve velkém měřítku:

• Stabilita spalování: Dosažení stabilního a kontrolovaného spalování v širokém rozsahu provozních podmínek zůstává výzvou. Faktory jako teplota nasávaného vzduchu, tlak ve válci a složení paliva mohou významně ovlivnit stabilitu spalování LTC.
• Kontrola emisí HC a CO- Ačkoli LTC výrazně snižuje emise NOx a PM s pomalejším HRR, emise HC a CO mohou být vyšší ve srovnání s konvenčními motory s rychlejším HRR, zejména v podmínkách částečného zatížení. K vyřešení tohoto problému jsou zapotřebí sofistikovanější strategie kontroly emisí.
• Integrace se systémy následné úpravy- Může komplexně interagovat se stávajícími systémy následné úpravy výfukových plynů, jako jsou filtry pevných částic (DPF) a katalyzátory selektivní redukce (SCR). Pro optimalizaci výkonu obou systémů je nutné vyvinout integrované strategie řízení.
• Náklady a složitost: Implementace LTC vyžaduje významné úpravy konstrukce motoru a začlenění složitějších řídicích systémů. To může zvýšit náklady na výrobu a údržbu vozidla.

Navzdory těmto výzvám pokračuje výzkum v oblasti LTC rychlým tempem, s nedávným pokrokem ve strategiích vstřikování paliva, novými pokročilými materiály pro zlepšení spolehlivosti motoru a tepelné účinnosti, modelováním a simulací procesu LTC za účelem optimalizace designu nebo AI, která také umožňují lepší řízení spalování pro řízení v budoucích motorech.

Obrázky | plátno