Introduktion til forbrændingsmotor

Introduktion til forbrændingsmotor

Køretøjets fremdrift opnås sædvanligvis ved hjælp af motorer, også kendt som prime movers, dvs. mekaniske anordninger, der er i stand til at omdanne den kemiske energi af et brændstof til mekanisk energi. For øvrigt har det engelske udtryk 'motor' sandsynligvis en fransk oprindelse i det gammelfranske ord 'engin', som igen menes at komme fra det latinske 'ingenium' (der deler den samme rod af 'ingénieur' eller ' ingeniør').

Brændslets kemiske energi omdannes først til varme ved forbrænding, og derefter omdannes varmen til mekanisk arbejde ved hjælp af et arbejdsmedium. Dette arbejdsmedium kan være en væske eller en gas. Faktisk øger varmen produceret ved forbrænding dets tryk eller dets specifikke volumen, og takket være dets udvidelse opnås mekanisk arbejde.

I forbrændingsmotorer (ICE) bruges selve forbrændingsprodukterne (fx luft og brændstof) som arbejdsmedie, mens forbrændingsprodukterne i forbrændingsmotorer overfører varme til et andet arbejdsmedium ved hjælp af varmeveksler. Desuden, mens forbrændingen i ICE foregår inde i cylinderen, i eksterne forbrændingsmotorer, opnås forbrændingen i et separat kammer, normalt kaldet brænder.

Klassificering af motortyper



Siden forbrændingsproces af en ICE ændrer arbejdsmediets karakteristika, kan cyklisk drift kun opnås gennem en periodisk udskiftning af selve arbejdsmediet, dvs. gennem en åben cyklus. Udtrykket 'cyklus' for ICE refererer således til motorens arbejdscyklus, som periodisk skal udskiftes, og ikke til en termodynamisk cyklus af arbejdsvæsken. Brændstofferne skal have egenskaber, der er kompatible med ICE-drift, hvilket betyder, at deres forbrændingsprodukter skal tillade at blive brugt som arbejdsmedie (f.eks. bør forbrænding ikke danne aske som i din skorsten, hvilket ville forårsage fastklæbning af motormekanismen).

Forbrændingsmotor

Frem- og tilbagegående forbrændingsmotorer vælges normalt til fremdrift af køretøjer på jorden med nogle undtagelser ( elektriske motorer til sporveje, trolleybusser eller elbiler) på grund af deres gunstige effekttæthed og deres relativt lave fremstillings- og serviceomkostninger (sammenlignet med f.eks. gasturbiner).

Ved frem- og tilbagegående ICE frembringer bevægelsen af ​​et stempel ind i en cylinder, lukket i den modsatte ende af cylinderhovedet, en cyklisk variation af cylindervolumenet. Stemplet er forbundet med en stang og en krumtap til akslen, hvis konstante rotation forårsager en cyklisk stempelbevægelse mellem to yderpositioner, Top Dead Center (TDC, tættest på topstykket) og Bottom Dead Center (BDC, største afstand fra topstykket). Disse to positioner svarer henholdsvis til det mindste cylindervolumen (frirumsvolumen, Vc) og det maksimale cylindervolumen (totalvolumen, Vt). Forskellen mellem max og min volumen kaldes swept volume eller cylinder deplacement og benævnes Vd. Og endelig kaldes forholdet mellem max og min volumen kompressionsforhold (rc).

ICE definition

ICE klassificering

Forbrændingsmotorer kan klassificeres i forskellige kategorier. De to vigtigste er baseret på forbrændingsprocessen (gnisttænding vs. kompressionstænding) og på arbejdscyklus (2 slag vs. 4 slag). Yderligere klassificering kan være baseret på luftindtag (naturligt indsuget eller turboladet), brændstofpåfyldning (indirekte eller direkte indsprøjtning) og kølesystem (luftkølet eller vandkølet). I denne artikel vil kun forskelle mellem forbrændingsprocesser blive præsenteret.

ICE klassificering

Gnisttænding og kompressionstænding

Gnisttænding

I gnisttændingsmotorer bruges brændstoffer med relativt lav reaktivitet såsom benzin, Compressed Natural Gas (CNG) eller Liquefied Petroleum Gas (GPL). Sådanne brændstoffer blandes med luft for at danne den brændbare, homogene luft/brændstofblanding og komprimeres derefter ind i motoren for at nå temperaturer på ca. 700 K (400 °C) og et tryk på ca. 20 bar uden spontan antændelse.

Denne adfærd kan forklares på basis af brændstofmolekylets egenskaber: kulbrintebrændstoffer, der anvendes i Spark ignition (SI) motorer er lavet af kortkædede, stive og kompakte strukturmolekyler (såsom CH4 for CNG eller iso-oktan C8h28 for benzin) for som selv ved høje temperaturer og tryk er ret lang tid til at starte forbrændingsprocessen. Dette koncept må dog ikke forveksles med et flydende brændstofs evne til at fordampe ved stuetemperatur og danne en brændbar blanding i den omgivende luft. Denne evne er høj med benzinen og bestemmer eksplosionsfaren, hvis der er en antændelseskilde.

I SI-motorer kan forbrændingsprocessen således kun startes (i hvert fald ved en klassisk forbrænding) med en ekstern kilde til energi såsom en elektrisk gnist. Den energi, der tilføres blandingen af ​​den elektriske udladning, er lille (omkring 10 mJ størrelse), men er alligevel afgørende for at starte forbrændingsprocessen.Tegning af kompressionstændingscylinder

Fra den første kerne, der antændes af gnisten, spredes forbrændingen derefter gennem blandingen: lag efter lag bevæger flammefronten sig gennem kammeret, hovedsagelig takket være en konvektiv varmeudveksling mellem brændende gasser og frisk blanding, indtil de sidste zoner (kaldet ' slutgas') langt fra gnisten nås.

Flammefronthastigheden er omkring 20-40 m/s, og øges kraftigt med turbulensen inde i blandingen (turbulensen øger overfladearealet mellem frisk og brændt gas, dermed øges varmevekslingen og dermed flammens udbredelseshastighed). Da turbulensintensiteten stiger med motorhastigheden, og flammefronthastigheden er proportional med turbulensintensiteten, vil flammefronthastigheden stige med motorhastigheden, hvilket kompenserer for reduktionen af ​​tid til rådighed til forbrænding. Takket være det er der næsten ingen begrænsning mht motorhastighed for SI-motorer fra forbrændingen synspunkt (Formel 1-motoren kan køre op til 20.000 omdrejninger i minuttet).

Imidlertid kan luft/brændstofblandingen, når den holdes ved høje temperaturer og tryk i længere tid, i sidste ende undergå selvantændelse. Af denne grund kan der opstå unormale forbrændinger, når slutgassen automatisk antændes spontant før flammefrontens ankomst. Denne unormale forbrænding forårsager en pludselig stigning af cylindertryk efterfulgt af trykbølger inde i forbrændingskammeret, der transmitteres gennem motorstrukturen til det omgivende miljø. Dette kaldes 'Knock' og kan forårsage skader på stemplet og cylinderen på grund af termiske udmattelsesbelastninger. For at undgå, at der opstår banker, skal SI-motoren overholde flere begrænsninger vedrørende den maksimale flammevejslængde (der begrænser den maksimale cylinderdiameter kaldet boring til ca. 100 mm) og den maksimalt tilladte temperatur og tryk for slutgas (frisk) begrænse både kompressionsforholdet og ladetrykket).

Desuden kan høje værdier af flammehastighed kun opnås, hvis luft/brændstof-forholdet er ret tæt på det støkiometriske forhold: derfor, når en SI-motor skal køres med dellast, er det umuligt kun at reducere brændstof, mens den bibeholder uændret luftmasse ind i cylinderen. Derefter er brugen af ​​en enhed til at reducere luftmassestrømmen nødvendig for belastningskontrol (et indsugningsgashåndtag vælges ofte), selvom det forårsager effektivitetsstraffe ved delbelastning.

[colored_box variation=”mos green” title=”Hvad er støkiometri?”]Støkiometri er defineret som det punkt, hvor al ilt i blandingen forbruges og alt brændstof forbrændes. For benzin er forholdet givet ved masse 14,7:1 (14,7 gram luft for 1 gram brændstof). [/farvet_boks]

Kompressionstænding

Temperaturudvikling i forbrændingskammeretNår der anvendes brændstoffer med højere reaktivitet, såsom diesel, kan de ikke blandes med luft og derefter komprimeres ind i cylinderen, fordi forbrændingsprocessen ellers ville starte spontant under kompressionsslaget. Faktisk er dieselbrændstof en blanding af kulbrinter, der kan repræsenteres af cetanet, C16H34, med et langt ligekædet molekyle, hvor de foreløbige reaktioner af oxidationsprocessen forløber ret hurtigt ved høje temperaturer og tryk.

Derfor, dieselbrændstof indsprøjtes som et højt tryk væskespray ind i den allerede komprimerede luft, umiddelbart før den ønskede start af forbrændingen (ved klassisk dieselforbrænding). De små brændstofdråber (omkring 10 µm i diameter), omgivet af varm trykluft (omkring 900 K), fordamper hurtigt, og forbrændingsprocessen starter spontant med en ekstrem kort tændingsforsinkelse.

Til forskel fra SI-motorer kan forbrændingsprocessen i dieselmotorer ikke selv justere sine karakteristika til tilgængelig tid til at udføre forbrænding relateret til stigning i motorhastigheden (dvs. den tid, der kræves til brændstoffordampning, blanding og tændingsforsinkelse, vil ikke nedskaleres med stigende motorhastighed) . Derfor kan disse motorer ikke køre ved hastigheder højere end 5000 o/min.

Endelig, anderledes end SI-motorer, er der ingen strenge krav med hensyn til luft/brændstof-forhold til denne form for forbrænding. Ved delbelastning reduceres den indsprøjtede brændstofmængde, mens den samme mængde indsuget luft bibeholdes, uden behov for drosling og derefter uden yderligere tab.