Моделирование работы двигателя внутреннего сгорания на конвертерном газе
Ключевые слова: конвертерный газ, двигатель, альтернативное топливо, утилизация, мощность
Аннотация
Впервые рассмотрена возможность утилизации конвертерного газа ПАО «НЛМК» в газопоршневых агрегатах.
Представлена существующая схема работы газоотводящего тракта конверторов, и описан вариант модернизации газоотводящего тракта для сбора и очистки газа. Дан расчет работы двигателя внутреннего сгорания при работе на природном газе на номинальной нагрузке. Смоделирована работа двигателя на конвертерном газе, указаны сравнительные характеристики работы двигателя с колебаниями состава конвертерного газа.
Результаты моделирования показали, что состав газа существенно влияет на работу ДВС. Снижаются основные показатели работы, что указывает на необходимость внесения изменений в конструкцию двигателя. Моделирование колебаний состава конвертерного газа подтвердило, что на стационарном режиме работы наибольшее влияние на мощность двигателя оказывает оксид углерода, при этом увеличение доли водорода в смеси приводит к падению мощности. Сделан вывод о возможности утилизации химического потенциала конвертерного газа на газопоршневом агрегате применительно к конвертерному цеху ПАО «НЛМК».
Литература
1. Курзанов С.Ю. Повышение энергетической эффективности сталеплавильного производства на основе использования конвертерных газов: автореф. дис. …канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2011.
2. Лотош В.Е. Утилизация вторичных энергетических ресурсов // Ресурсосберегающие технологии. 2003.
№ 9. С. 3—18.
4. Группа НЛМК — повысить мощности КЦ-2 на 19% [Электрон. ресурс] www.nlmk.com/ru/media-center/news-groups/nlmk-group-to-boost-capacity-of- steelmaking-shop-2-at-lipetsk-site-by-19-/?from=en (дата обращения 18.04.2018).
5. Расщупкин В.П., Корытов М.С. Производство стали. Методика выплавки. Омск: СибАДИ, 2007.
6. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л., Кальменев А.А. Металлургия черных металлов. М.: Металлургия, 1986.
8. Карташевич А.Н., Малышкин П.Ю., Плотников С.А., Зубакин А.С. Исследования работы двигателя на альтернативных топливах // Вестник Белорусской гос. сельскохозяйственной академии. 2016. № 4. С. 115—117
9. Левтеров А.М., Левтерова Л.И., Гладкова Н.Ю. Использование альтернативных топлив в транспортных ДВС // Автомобильный транспорт. 2010. № 27. С. 61—64.
10. Европейский опыт утилизации сбросного энергопотенциала промышленных газов [Электрон. ресурс] www.cogeneration.com.ua/ru/analytics/special-gas/ hydrogen-utilization (дата обращения 21.06.2019).
12. Гичев Ю.А. Проектно-конструкторские решения по использованию конвертерного газа для нагрева металлолома // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. № 5. С. 54—59.
13. Куземко Р.Д., Сущенко А.В. Улучшение теплового баланса конвертерной плавки за счет регенирации теплоты отходящих газов // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та. Серия «Технические науки». 1998. № 6. С. 62—69.
15. Максимов А.А., Агапитов Е.Б. Совершенствование энергоэффективной схемы утилизации конвертерного газа // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: Сборник докл. IV Всерос. науч.- практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2015. С. 101—105.
16. Дремов А.Н., Гридин С.В. Использование газов сталеплавильных конвертеров в качестве вторичных энергоресурсов // Металлургия XXI столетия глазами молодых: Сборник докл. Всеукр. науч.-практ. конф. студентов. Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2013. С. 143—144.
18. Баптизмаиский В.И., Меджибожский М.Я., Охотский В.Б. Конвертерные процессы производства стали. Теория, технология, конструкции агрегатов. Киев: Высшая школа, 1984.
19. Руководство по ремонту двигателей Caterpillar [Электрон. ресурс] www.truckmanualshub.com/caterpillar- workshop-manuals-pdf (дата обращения 21.06.2019).
21. Шароглазов Б.А., Шишков В.В. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчет процессов. Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011.
22. Ситтинг М. Процессы окисления углеводородного сырья. М.: Химия, 1970.
23. Калимуллин Р.Ф., Горбачев С.В., Филиппов А.А. Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей: методические указания к курсовому проектированию. Оренбург: Изд-во ГОУ ОГУ, 2007.
—
Для цитирования: Губарев В.Я., Спасибин А.Ю. Моделирование работы двигателя внутреннего сгорания на конвертерном газе // Вест- ник МЭИ. 2019. № 6. С. 50—57. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-50-57.
1. Kurzanov S.Yu. Povyshenie Energeticheskoy Effektivnosti Staleplavil’nogo Proizvodstva na Osnove Ispol’zovaniya Konverternykh Gazov: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 2011. (in Russian).
2. Lotosh V.E. Utilizatsiya Vtorichnykh Energeticheskikh Resursov. Resursosberegayushchie Tekhnologii. 2003;9:3—18. (in Russian).
3. Agapitov E.B., Maksimov A.A. Razrabotka Skhemy Kombinirovannogo Proizvodstva Gazoobraznogo Topliva na Osnove Konverternogo Gaza s Tsel’yu Sberezheniya Energeticheskikh Resursov Metallurgicheskogo Proizvodstva. Voprosy Tekhnicheskikh Nauk: Novye Podkhody V Reshenii Aktual’nykh Problem: Sbornik Nauch. Trudov Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Kazan’, 2014. (in Russian).
5. Rasshchupkin V.P., Korytov M.S. Proizvodstvo Stali. Metodika Vyplavki. Omsk: SibADI, 2007. (in Russian).
6. Linchevskiy B.V., Sobolevskiy A.L., Kal’menev A.A. Metallurgiya Chernykh Metallov. M.: Metallurgiya, 1986. (in Russian).
7. Larionov L.B., Buraev M.K. Raschet Protsessa Sgoraniya Biogaza v Gazovom Dvigatele s Iskrovym Zazhiganiem, Konvertirovannogo iz Dizelya s Nadduvom. Vestnik SVFU. 2015;12;1:52—58. (in Russian).
9. Levterov A.M., Levterova L.I., Gladkova N.Yu. Ispol’zovanie Al’ternativnykh Topliv v Transportnykh DVS. Avtomobil’nyy transport. 2010;27:61—64. (in Russian).
10. Evropeyskiy Opyt Utilizatsii Sbrosnogo Energopotentsiala Promyshlennykh Gazov [Elektron. Resurs] www.cogeneration.com.ua/ru/analytics/special-gas/hydrogen-utilization (Data Obrashcheniya 21.06.2019). (in Russian).
11. Mysnik M.I., Svistula A.E. Analiz Teplofizicheskikh Svoystv Al’ternativnykh Topliv Dlya Dvigateley Vnutrennego Sgoraniya. Polzunovskiy Vestnik. 2009;1—2: 37—43. (in Russian).
13. Kuzemko R.D., Sushchenko A.V. Uluchshenie Teplovogo Balansa Konverternoy Plavki za Schet Regeniratsii Teploty Otkhodyashchikh Gazov. Vestnik Priazovskogo Gos. Tekhn. Un-ta. Seriya «Tekhnicheskie Nauki». 1998;6:62—69. (in Russian).
14. Gichev Yu.A., Zapototskaya A.Yu. Tekhnicheskie Resheniya i Effektivnost’ Ispol’zovaniya Konverternogo Gaza dlya Obzhiga Izvestnyaka. Mezhdunarodnye Konferentsii: Lit’e, Metallurgiya. Zaporozh’e: Zaporozhskaya Torgovo-promyshlennaya Palata, 2015. (in Russian).
16. Dremov A.N., Gridin S.V. Ispol’zovanie Gazov Staleplavil’nykh Konverterov v Kachestve Vtorichnykh Energoresursov. Metallurgiya XXI Stoletiya Glazami Molodykh: Sbornik Dokl. Vseukr. Nauch.-prakt. Konf. Studentov. Donetsk: Izd-vo DonNTU, 2013:143—144. (in Russian).
18. Baptizmaiskiy V.I., Medzhibozhskiy M.Ya., Okhotskiy V.B. Konverternye Protsessy Proizvodstva Stali. Teoriya, Tekhnologiya, Konstruktsii Agregatov. Kiev: Vysshaya Shkola, 1984. (in Russian).
19. Rukovodstvo po Remontu Dvigateley Caterpillar [Elektron. Resurs] https://truckmanualshub.com/caterpillar-workshop-manuals-pdf (Data Obrashcheniya 21.06.2019). (in Russian).
20. Kulmanakov S.P., Kulmanakov S.S. Teplovoy Raschet DVS. Barnaul: Izd-vo AltGTU, 2014. (in Russian).
21. Sharoglazov B.A., Shishkov V.V. Porshnevye Dvigateli: Teoriya, Modelirovanie i Raschet Protsessov. Chelyabinsk: Izdat. Tsentr YUUrGU, 2011. (in Russian).
22. Sitting M. Protsessy okisleniya uglevodorodnogo syr’ya. M.: Khimiya, 1970. (in Russian).
23. Kalimullin R.F., Gorbachev S.V., Filippov A.A. Teplovoy Raschet Avtomobil’nykh Gazovykh Dvigateley: Metodicheskie Ukazaniya k Kursovomu Proektirovaniyu. Orenburg: Izd-vo GOU OGU, 2007. (in Russian).
—
For citation: Gubarev V.Ya., Spasibin A.Yu. Simulating the Operation of an Internal Combustion Engine on Converter Waste Gas. Bulletin of MPEI. 2019;6:50—57. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-50-57.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
На наших дорогах чаще всего можно встретить автомобили, потребляющие бензин и дизельной топливо. Время электрокаров пока не настало. Поэтому рассмотрим принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Отличительной чертой его является превращение энергии взрыва в механическую энергию.
При работе с бензиновыми силовыми установками различают несколько способов формирования топливной смеси. В одном случае это происходит в карбюраторе, а потом это все подается в цилиндры двигателя. В другом случае бензин через специальные форсунки (инжекторы) впрыскивается непосредственно в коллектор или камеру сгорания.
Работа двигателя внутреннего сгорания
Для полного понимания работы ДВС необходимо знать, что существует несколько типов современных моторов, доказавших свою эффективность в работе:
- бензиновые моторы;
- двигатели, потребляющие дизельное топливо;
- газовые установки;
- газодизельные устройства;
- роторные варианты.
Принцип работы ДВС этих типов практически одинаковый.
Такты ДВС
В каждом есть топливо, которое взрываясь в камере сгорания, расширяется и толкает поршень, установленный на коленчатом валу. Далее это вращение посредством дополнительных механизмов и узлов передается на колеса автомобиля.
В качестве примера будем рассматривать бензиновый четырехтактный мотор, так как именно он является самым распространенным вариантом силовой установки в машинах на наших дорогах.
Такты:
- открывается впускное отверстие и происходит заполнение камеры сгорания подготовленной топливной смесью
- происходит герметизация камеры и уменьшение ее объема в такте сжатия
- взрывается смесь и выталкивает поршень, который получает импульс механической энергии
- камера сгорания освобождается от продуктов горения
В каждом из этих этапов работы ДВС заложена своя происходит несколько одновременных процессов. В первом случае поршень находится в самой нижней своей позиции, при этом открыты все клапаны, впускающие топливо. Следующий этап начинается с полного закрытия всех отверстий и перемещения поршня в максимальную верхнюю позицию. При этом все сжимается.
Достигнув снова крайней верхней позиции поршня, на свечу поступает напряжение, и она создает искру, зажигая смесь для взрыва. Сила этого взрыва толкает поршень вниз, а в это время открываются выпускные отверстия и камера очищается от остатков газа. Затем все повторяется.
Работа карбюратора
Формирование топливной смеси в машинах первой половины прошлого века происходило с помощью карбюратора. Чтобы понять, как работает двигатель внутреннего сгорания, нужно знать, что автомобильные инженеры сконструировали топливную систему так, что в камеру сгорания подавалась уже подготовленная смесь.
Устройство карбюратора
Ее формированием занимался карбюратор. Он в нужных соотношениях перемешивал бензин и воздух и отправлял это все в цилиндры. Такая относительная простота конструкции системы позволяла ему долгое время оставаться незаменимой частью бензиновых агрегатов. Но позже его недостатки стали преобладать над достоинствами и не обеспечивать повышающихся требований к автомобилям в целом.
Недостатки карбюраторных систем:
- нет возможности обеспечивать экономные режимы при внезапных переменах режимов езды;
- превышение лимитов вредных веществ в выхлопных газах;
- низкая мощность автомобилей из-за несоответствия подготовленной смеси состоянию автомобиля.
Компенсировать эти недостатки попытались прямой подачей бензина через инжекторы.
Работа инжекторных моторов
Принцип работы инжекторного двигателя заключается в непосредственном впрыске бензина во впускной коллектор или камеру сгорания. Визуально все схоже с работой дизельной установки, когда подача выполняется дозировано и только в цилиндр. Разница лишь в том, что у инжекторных агрегатов установлены свечи для поджигания.
Конструкция инжектора
Этапы работы бензиновых моторов с прямым впрыском не отличаются от карбюраторного варианта. Разница лишь в месте формирования смеси.
За счет этого варианта конструкции обеспечиваются достоинства таких двигателей:
- увеличение мощности до 10% при схожих технических характеристиках с карбюраторным;
- заметная экономия бензина;
- улучшение экологических характеристик по выбросам.
Но при таких достоинствах есть и недостатки. Основными являются обслуживание, ремонтопригодность и настройка. В отличие от карбюраторов, которые можно самостоятельно разобрать, собрать и отрегулировать, инжекторы требуют специального дорогостоящего оборудования и установленного большого числа разных датчиков в автомобиле.
Способы впрыска топлива
В ходе эволюции подачи топлива в двигатель происходило постоянное сближение этого процесса с камерой сгорания. В наиболее современных ДВС произошло слияние точки подачи бензина и места сгорания. Теперь смесь формируется уже не в карбюраторе или впускном коллекторе, а впрыскивается в камеру напрямую. Рассмотрим все варианты инжекторных устройств.
Одноточечный вариант впрыска
Наиболее простой вариант конструкции выглядит как впрыск топлива через одну форсунку во впускной коллектор. Разница с карбюратором в том, что последний подает готовую смесь. В инжекторном варианте проходит подача топлива через форсунку. Выгода заключается в получении экономии при расходе.
Моноточечный вариант подачи топлива
Такой способ также формирует смесь вне камеры, но здесь задействованы датчики, которые обеспечивают подачу непосредственно к каждому цилиндру через впускной коллектор. Это более экономичный вариант использования топлива.
Прямой впрыск в камеру
Этот вариант пока наиболее эффективно использует возможности инжекторной конструкции. Топливо напрямую распыляется в камере. За счет этого снижается уровень вредных выхлопов, и автомобиль получает кроме большей экономии бензина увеличенную мощность.
Увеличенная степень надежности системы снижает негативный фактор, касающийся обслуживания. Но такие устройства нуждаются в качественном топливе.
Интересное по теме:
загрузка…
Вконтакте
Одноклассники
Google+
Научная работа кафедры двигателей внутреннего сгорания
К основным научным направлениям кафедры относится:
- исследование судового дизелестроения, концепций конструирования судовых комбинированных двигателей новых поколений;
- использование фундаментальной теории управления при проектировании современных дизелей;
- математическое моделирование нестационарных процессов в цилиндре двигателя и смежных с ним систем впуска и выпуска и топливоподающей аппаратуре;
- создание систем наддува двигателя в зависимости от величины среднего эффективного давления;
- проблемы создания современных дизель-электрических агрегатов переменного тока с высоким качеством электроэнергии;
- решение проблем создания адаптивных (интеллектуальных) двигателей внутреннего сгорания;
- моделирование и совершенствование процессов формообразования и обеспечения точности в технических и технологических системах;
- совершенствование процессов абразивной обработки ответственных изделий машиностроения;
- создание конструкций эффективных укороченных забоек взрывных скважин.
Перечисленным перечнем научные интересы нашей кафедры не исчерпываются. В ближайшее время кафедра планирует уделить особое внимание освоению современных методов исследований по экологическим показателям двигателей, по параметрам шума и вибрации с разработкой новых идей по улучшению этих показателей. В практическое русло переводятся исследования по конкретным моделям среднеоборотных и высокооборотных двигателей с обеспечением их работы на газообразном топливе. Кафедра располагает собственной аспирантурой, где продолжают обучение наиболее одаренные выпускники кафедры. В настоящее время 10 аспирантов работают по различным научным направлениям кафедры. В последнее время интенсивная автомобилизация Дальнего Востока за счет импортных автомобилей потребовала подготовки специалистов по автомобильным ДВС. Современный автомобильный двигатель является сердцем автомобиля, самым сложным и самым главным агрегатом автомобиля. Быть специалистом по ДВС означает применение ваших знаний на любой работе в области энергетики в любом регионе мира. Профессорско-преподавательский коллектив кафедры «ДВС» ведет обучение студентов на современном оборудовании и стендах, оснащенных разнообразной измерительной аппаратурой, ЭВМ, отечественными и импортными ДВС.
В процессе обучения студенты изучают физику процессов, происходящих в ДВС, их механизмы и системы, что позволит вам в будущем правильно эксплуатировать ДВС. В учебном процессе широко используются персональные ЭВМ, локальная вычислительная сеть ТОГУ имеет выход в INTERNET. Глубокие знания студент получает по теплотехнике, гидравлике, информатике, системам ДВС, системам автоматике, теории и конструкции ДВС. Созданы несколько научных лабораторий, в том числе, лаборатория горюче-смазочных материалов, лаборатория ДВС.
Кафедра «ДВС» имеет творческие связи с ведущими Вузами России (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАДИ, Санкт-Петербургский ГТУ и др.), с РАН (институт автоматики и процессов управления ДВО РАН и др.). Большую поддержку в подготовке специалистов оказывает Российская инженерная академия (РИА). Там где кипит разумная и полезная обществу работа, обойтись без науки и изобретательства просто невозможно. А на кафедре с таким творческим потенциалом и с такими кадрами, решающей дела как практические (хоздоговорные работы), научные (статьи, учебные пособия, методические указания), исследовательские (разработка аспирантами совместно с руководителями новой тематики), учебные (методические семинары, конференции) – здесь без творчества не обойтись!!! Поэтому и работает при кафедре региональный семинар по вопросам создания, проектирования и эксплуатации комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Доклад на этом семинаре – это путевка для выхода серьезной научной работы на докторский совет по защите диссертационных работ. В этом совете четыре профессора кафедры определяют направление: тепловые двигатели внутреннего сгорания. Кафедра принимает активное участие совместно с преподавателями ДВГУПС в работе второго семинара: механика твердого деформируемого тела. На фотографии представлены частично патенты и авторские свидетельства, полученные кафедрой в разные годы. Безусловно, научная деятельность определяет и качество подготовки специалистов в области двигателей внутреннего сгорания и их эксплуатации. Симбиоз науки и практики – вот основное начало в педагогической деятельности. Кстати заметим, что практически все стенды лаборатории кафедры «ДВС» были созданы руками ее сотрудников.
Актуальным направлением является разработка и внедрение в учебный процесс заданий по курсам «Начертательная геометрия. Инженерная графика», «Инженерная и компьютерная графика» и «Компьютерная графика» для компьютерного тестирования в АСТ, которое внедряется на кафедре с 2007 года.
| Первый двигатель внутреннего сгорания
Людям до сих пор не известна точная дата или хотя бы век изобретения первого ДВС, однако в любом случае, его предшественником считается паровая машина. Естественно, паровые машины по сравнению с нынешними агрегатами были громоздкими, и поворотом ключа их завести было нельзя. Начало к переходу от паровых двигателей к ДВС положил французский инженер Филипп Лебон в 1799 году, открыв светильный газ, а, затем, спустя два года, получив патент на разработку и конструкцию газового двигателя. Позже продолжил дело после смерти Лебона, построивший по личным чертежам газовый двигатель бельгиец Жан Этьен Ленуар в 1860 году, в котором воспламенение горючей смеси осуществлялось с помощью электрической искры, как и сейчас. Нормальному режиму работы двигателя мешал эффект линейного расширения. Чтобы устранить его, были изобретены специальные смазочные материалы и системы охлаждения. Так свет увидел первый в мире двухтактный двигатель внутреннего сгорания. Применять в качестве топлива бензин 1872 году предложил американец Брайтон, так появился первый карбюратор. Конечно, от совершенства он оказался далек , еще около 10 лет в основном двигатели работали на газу. И только в 1882 году, когда Вильгельму Майбаху и Юлиусу Даймлеру удалось сконструировать полноценный бензиновый двигатель. Вслед за двухтактными ДВС начали производиться четырехтактные моторы, их принцип работы актуален и по сегодняшний день. Эволюция двигателей — эволюция масел 20-е столетие с самого начала стало настоящей эпохой развития технологического прогресса, а также новых достижений. Паровые машины «Титаника», аэроплан братьев Райт, турбины «Наутилус» — первой американской атомной подлодки. Моторы всех этих уникальных для того времени машин смазывались маслами Mobil™. Этими же маслами пользовались Чарльз Линдберг, который совершил одиночный перелет через Атлантику и адмирал Берд, достигший первым Северного полюса по воздуху. С развитием системы ДВС все производители моторных масел старались совершенствовать свою продукцию путем различных высокотехнологичных решений, при этом, именно продукция марки Mobil не только всегда соответствовала современным требованиям, но иногда и частично предвосхищала будущее. Современные реалии Технологии автомобилей с каждым годом совершенствуется: снижаются объемы вредных выбросов, повышается безопасность, растет эффективность ДВС. И вместе с тем , ужесточаются требования к показателям качества смазочных материалов. В развитых странах внедряют новые экологические нормы, тем самым стимулируя производителей разрабатывать продукты, снижающие расход топлива. Мировые запасы нефти ограничены, и используемые ныне двигатели внутреннего сгорания со временем станут нецелесообразными. Более актуальными станут автомобили, работающие на альтернативном топливе. Однако трение не денется никуда, а значит, работа для масел Mobil 1™ непременно найдется. |
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания в 4 такта
Двигатель внутреннего сгорания, который сейчас стоит едва ли не на каждом автомобиле в мире, был создан настолько давно, что сейчас это даже сложно представить. Ведь датой появления первого образца такого агрегата считается 1860 год.
То есть, механизм, который, пусть и претерпел ряд изменений, но остался всё тем же устройством, был создан ещё в девятнадцатом столетии. Причиной такой популярности стал простой и понятный принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
Проведём небольшой экскурс в историю. Уже упомянутое выше изобретение Ленуара, созданное в 1860 году, имело ряд конструктивных недоработок, что серьёзно его снижало КПД. Потому, широкого распространения этот двигатель не получил.
Зато стал плодом для размышлений другого конструктора, чьё имя так же вошло в историю. Им стал немец Николаус Отто, который смог доработать механизм, создав двухтактный двигатель.
В итоге работа двигателя внутреннего сгорания Отто показала КПД выше 15%, таким образом полностью вытеснив двигатели первооткрывателя. Конечно же, созданный в 1863 году двигатель не был верхом совершенства.
И спустя некоторое время, после значительных коррекций своего механизма, Отто выпускает четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания – предка тех моторов, работу которые мы каждый день видим, наблюдая за современным автотранспортом.
В разное время механизм, созданный Отто многократно улучшали. Но принцип работы двс существенно не изменился.
Четыре такта Отто — так происходит работа ДВС
Гениальный немец создал принцип, который никто не сумел не только превзойти, но и существенно улучшить так, чтобы вытеснить оригинал.
Работа ДВС это четыре повторяющихся действия, которые получили название «цикл Отто». Первым идёт такт впуска, затем – сжатие, рабочий ход, и, наконец – выпуск. Чтобы понять, как работает ДВС, рассмотрим каждый такт работы двигателя отдельно.
Шаг первый в работе двигателя внутреннего сгорания — впуск
В процессе этого такта топливо, смешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр, благодаря действию поршня.
Клапан впуска при этом находится в открытом состоянии. К слову, в наше время есть масса двигателей, где клапанов сразу несколько. И это делается с целью повышения мощности двигателя.
Ещё одним способом повышением мощности стали двигатели, в которых педалью газа можно регулировать количество топлива, попадающего в цилиндры, путём удержания клапанов в открытом состоянии. На время ускорения машины это влияет весьма положительно.
Шаг второй в работе ДВС — сжатие
В ходе второго такта, поршень из нижней точки начинает постепенно подниматься. Благодаря этому, топливовоздушная смесь сжимается и попадает уже в таком состоянии в камеру сгорания. Движение поршня обеспечивается вращением коленчатого вала и шатуна.
Третий шаг в принципе работы двигателя внутреннего сгорания — рабочий ход
Такт сжатия завершается воспламенением горючей смеси в результате попадания искры зажигания. Полученные в результате сжигания газы имеют больший объём, потому двигают поршень вниз, и он через шатун двигает коленвал. Это называется рабочим циклом.
Четвертый шаг в работе двигателя внутреннего сгорания — выпуск
Четвёртый такт называется выпуском. При перемещении поршня в верхнее положение, происходит открытие впускного клапана. Теперь газы могут выйти наружу а цилиндр получает вентиляцию.
Современные двигатели внутреннего сгорания, типы и принципы работы
Автомобильный рынок предлагает очень много различных типов двигателей, созданных по знакомому нам принципу.
Сейчас мы привыкли считать классикой карбюраторный двигатель, который обычно устанавливается на ВАЗ 2106. Что примечательно, его создал наш соотечественник Огнеслав Костович. Произошло это в 1880, или чуть позже. Сейчас нет точной информации об этом. Тем не менее, это был первый шаг к появлению того, что мы привыкли считать стандартным карбюраторным ДВС.
Работа двигателя стала более производительной. Пользуясь этой разработкой, немцы Даймлер и Майбах (сейчас эти фамилии известны всем автолюбителям), создали облегчённую версию карбюраторного двигателя на бензине. Первым такой двигатель получил не автомобиль из Германии, а мотоцикл.
Дизельные двигатели
Казалось бы, всё, что можно было придумать, уже создано. Но, так не считал талантливый изобретатель из Германии Рудольф Дизель. Его интересовало, как можно ещё изменить и усовершенствовать принцип Отто. В результате его трудов, появился ещё один двигатель, который по сей день используется повсеместно, особенно – в грузовом автотранспорте.
В чём же принцип работы дизельного двигателя? В таких двигателях, дизельное топливо, или как его ещё называют, солярка, впрыскивается в нужное время под давлением. В результате, горючая смесь образуется непосредственно в двигателе, где частички сжатого топлива соединяются с воздухом и под давлением происходит возгорание.
Увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания можно здесь:
Также на эту тему вы можете почитать:
Поделитесь в социальных сетях
Alex S 8 октября, 2013
Опубликовано в: Полезные советы и устройство авто
Метки: Как устроен автомобиль
Основы работы двигателей внутреннего сгорания
Тепловые двигатели — это машины, в которых химическая энергия топлива преобразуется сначала в тепловую энергию, а затем в механическую работу. К тепловым двигателям относятся паровые машины, паровые турбины, поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). газотурбинные двигатели (ГТД), комбинированные турбо-поршневые двигатели, реактивные двигатели.
Особенность применяемых на тепловозах двигателей внутреннего сгорания поршневого типа состоит в том, что превращение химической энергии в тепловую, совершающееся при сгорании топлива, происходит непосредственно в самом рабочем цилиндре
Рис 11. Принципиальная схема двигателя внутреннего сгоранияв течение очень короткого времени (тысячных долей секунды) при высоких температурах. Это и обусловливает преимущества поршневых ДВС — малые тепловые и гидравлические потери и высокий коэффициент полезного действия, а также компактность.
Процесс превращения тепла в двигателях внутреннего сгорания в работу можно проследить по схеме, изображенной на рис. 11. Поступивший в цилиндр двигателя через клапан 5 воздух сжимается поршнем и нагревается при этом до температуры 600-650 °С, что выше температуры самовоспламенения распыленного жидкого топлива. В конце сжатия в нагретый воздух впрыскивается через форсунку 4 топливо, которое воспламеняется и сгорает. В результате сгорания топлива в цилиндре 2 образуются газы с высокой температурой и давлением. Под давлением газов поршень 1 перемещается вниз и совершает работу. Во время расширения температура и давление газов понижаются. Отдав часть тепла на совершение работы, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан 3 при движении поршня 1 вверх, а свежий воздух вновь поступает в цилиндр. Затем все повторяется снова. Двигатели внутреннего сгорания имеют шатунно-кривошипный механизм, состоящий из поршня 1, шатуна 6, кривошипа 7 и вала 8. Этот механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала.
В течение одного оборота кривошипа поршень 2 раза изменяет направление движения. Это происходит в так называемых «мертвых» положениях (или «мертвых» точках) механизма, которые характерны тем, что сила, действующая на поршень, находящий ся в одном из этих положений, не вызывает вращающего момента на кривошипе. Между поршнем, находящимся в верхней мертвой точке (в.м.т.), и крышкой цилиндра заключен объем пространства сжатия или камеры сжатия. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия называется степенью сжатия.
Для удовлетворения нужд народного хозяйства двигатели внутреннего сгорания поставляются промышленностью в разнообразном исполнении: мощностью от I до 20 000 кВт в одном агрегате, с числом цилиндров от 1 до 20 и более, частотой вращения вала от 120 до 6000 об/мин.
Двигатели современных тепловозов имеют мощность от 400 до 5000 кВт, частоту вращения вала 750- 1500 об/мин, число цилиндров от 4 до 20. Они расходуют от 200 до 230 г дизельного топлива на 1 кВт-ч выработанной энергии. Удельная масса тепловозных двигателей внутреннего сгорания составляет от 2,5 до 18,5 кг/(кВт-ч)
Способы зажигания топлива. По способу воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания делятся на двигатели с принудительным зажиганием (низкого сжатия) и с самовоспламенением (высокого сжатия) — дизели. На тепловозах применяются исключительно двигатели высокого сжатия — дизели типов: Д100, Д45, Д50, М750, Д49, Д70. Они значительно экономичнее и мощнее, чем двигатели низкого сжатия.
Двигатели низкого сжатия работают на легком топливе (бензине и керосине). В этих двигателях в цилиндры засасывается не воздух, а рабочая смесь (пары бензина и воздух). Смесь сжимается до температуры, меньшей, чем температура ее самовоспламенения, поэтому зажигание смеси осуществляется принудительно от постороннего источника. В большинстве случаев применяется электрическое зажигание: в цилиндр двигателя вставляют электрическую свечу, включенную в цепь высокого напряжения. В определенный момент цепь тока высокого напряжения замыкается, вследствие чего между электродами овечи возникает искра, которая и воспламеняет рабочую смесьв цилиндре. Двигатели низкого сжатия устанавливают на автомобилях.
В цилиндры двигателей высокого сжатия поступает чистый воздух, который и сжимается. В конце сжатия, когда температура воздуха будет достаточно высокой, топливо в распыленном виде впрыскивается через форсунку в цилиндр и воспламеняется.
Дизели четырехтактные и двухтактные. Четырехтактными называются дизели, у которых полный рабочий цикл — поступление воздуха >в цилиндр, перемешивание и сгорание топлива, расширение газов и удаление их из цилиндра — осуществляется за четыре хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. У двухтактных двигателей полный рабочий цикл в цилиндре происходит за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Следует подчеркнуть, что у четырехтактных дизелей продувка и зарядка цилиндра свежим воздухом происходят Иначе, чем у двухтактных, само же смешение топлива с воздухом и сгорание рабочей смеси у обоих типов дизелей одинаково. Обычно задается вопрос — какой из этих типов дизелей лучше? На протяжении многих лет в различных отраслях народного хозяйства применяются и четырехтактные и двухтактные дизели. Однако качество дизеля определяет не его тактность, а надежность, экономичность, конструкционная и технологическая отработанность, долговечность и, наконец, правильный выбор типа дизеля для данного рода службы. Четырехтактные дизели имеют, как правило, меньший удельный расход топлива, меньшую тепловую напряженность, так как в единицу времени совершают меньшее количество тепловых и силовых циклов, чем двухтактные при тех же условиях.
В двухтактных дизелях проще система газораспределения, но в них хуже очищаются и продуваются свежим воздухом цилиндры. Вместе с тем с 1 л рабочего объема цилиндра при прочих равных условиях у двухтактных дизелей снимается на 60-70 % большая мощность, чем у четырехтактных. Однако с увеличением давления наддува (см. ниже) все яснее вы рисовывается преимущество четырехтактных дизелей перед двухтактными для тепловозов, так как четырехтактные дизели с газотурбинным наддувом имеют более простую систему воздухо-снабжения, более высокую экономичность, а главное — лучшую приспособляемость к переменным эксплуатационным нагрузкам и разным сортам топлива и масла.
На тепловозах ТЭЗ, ТЭ7, тепловозах типов 2ТЭ10, М62 и ТЭП60 установлены двухтактные дизели (2Д100, 10Д100, 14Д40 и 11Д45), а на тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭМ7, ТЭМ2, ТЭМ1, ЧМЭ2, ЧМЭЗ, ТГМ4 и ТГМЗ, а также на дизель-поездах — четырехтактные дизели (типов Д49, ПД1М, Д50, КбБЗКЮК, М756). Как показывает мировая практика, четырехтактных дизелей строится 65-70 %, а остальные — двухтактные. Двигатели низкого сжатия, за исключением маломощных, изготовляют только четырехтактными.
Способы смесеобразования в дизелях. По способу образования горючей смеси (смесеобразования) дизели делятся на однокамерные — со струйным распыливанием (рис. 12,а) и двухкамерные, которые подразделяются на вихрекамерные с выносной камерой в крышке (рис. 12,6), предкамерные (рис. 12,в) и с камерой в поршне (рис. 12,г).
Наибольшее распространение получили дизели со струйным распыливанием, так как при этом способе смесеобразования расход топлива (при нормальных нагрузках) наименьший. Особенно такие двигатели экономичны при мало изменяющихся нагрузках и частотах вращения. Однако при переменных режимах работы у этих двигателей проявляются существенные недостатки. На малых нагрузках и хо лостом ходу у них ухудшаются распы-ливание топлива и перемешивание его с воздухом. Кроме того, дизели со струйным распыливанием требуют высококачественного топлива и очень точного изготовления и хорошего содержания топливной аппаратуры.
На тепловозах применяются, как правило, дизели с однокамерным струйным смесеобразованием. На таких дизелях установлены топливные насосы (секции) плунжерного типа высокого давления (до 90 МПа) и форсунки закрытого типа. При нагнетании топлива игла форсунки поднимается и топливо под высоким давлением через отверстия в распылителе диаметром 0,30-0,40 мм впрыскивается в камеру сгорания в виде мельчайших капель, которые перемешиваются с воздухом, воспламеняются и сгорают. Величина порции впрыснутого топлива в цилиндр изменяется поворотом плунжера. Управляет величиной подачи регулятор дизеля.
Для образования качественной смеси топлива с воздухом при струйном смесеобразовании необходимо правильно выбирать фор.му камеры сжатия в соответствии с направлением, количеством и дальнобойностью топливных струй, мелкостью распыливания топлива и вихревыми движениями воздуха в камере.
Сущность двухкамерного смесеобразования (см. рис. 12,6 и в) заключается в том, что при ходе поршня к верхнему положению сжатый воздух из цилиндра с объемом Уц перетекает в выносную камеру объемом Ув. Выносная камера может иметь объем 20-60 % общего объема камеры сжатия Ус. Благодаря тангенциальному направлению соединительного канала воздух, вытесняемый поршнем в вихревую камеру (см. рис. 12,6), получает
Рис 12. Схемы способов распыливания топлива и смесеобразования:
а — струйное; б — вихрекамерное; я — предкямерное; г — объемно-пленочное; 1 — форсунка; 2
вращательное движение, что способствует хорошему перемешиванию воздуха с впрыскиваемым топливом.
В дизелях с предкамерным смесеобразованием (см. рис. 12,в) во время сжатия воздух перетекает в предкамеру, куда при невысоком давлении (7-10 МПа) впрыскивается дизельное топливо. Здесь топливо воспламеняется и частично сгорает. Все топливо в предкамере сгорать не может, так как для этого не хватает воздуха. В результате частичного сгорания топлива давление в предкамере быстро возрастает, и газы вместе с несгоревшим топливом выбрасываются в цилиндр, где происходит догорание топлива. Таким образом, хорошее смешение топлива с воздухом обеспечивается тут в основном потоком горячего газа.
При двухкамерном смесеобразовании, как правило, применяются простые и надежные в работе насосы и форсунки. Однако вследствие больших поверхностей охлаждения имеют место повышенные тепловые потери, а также потери энергии при перетекании воздуха и продуктов сгорания через соединительные каналы. Поэтому дизели с двухкамерным смесеобразованием имеют невысокую экономичность.
В двигателях с камерой в поршне (см. рис. 12,г) осуществляется объемно-пленочное смесеобразование. Хорошее качество процесса достигается тем, что факел топлива направляется на горячие стенки поршня и делится на две части: меньшая распыливается в пространстве камеры, а большая, попадая на внутренние стенки камеры поршня, образует тонкую пленку. Создаваемые в процессе движения поршня потоки воздуха как бы сдувают со стенок камеры пары топлива, которые хорошо перемешиваются с воздухом и сгорают. При двухкамерном смесеобразовании качество смеси и ее сгорание мало зависят от нагрузочного и скоростного режима работы двигателя.
⇐ | Технические и тяговые характеристики магистральных и маневровых тепловозов | | Тепловозы: Механическое оборудование: Устройство и ремонт | | Наддув дизелей | ⇒
Двигатель внутреннего сгорания: Работа двигателя | Infoplease
В большинстве двигателей один рабочий цикл (впуск, сжатие, мощность и выпуск) происходит за четыре хода поршня за два оборота двигателя. Когда двигатель имеет более одного цилиндра, циклы равномерно распределены для плавной работы, но каждый цилиндр будет проходить полный цикл при любых двух оборотах двигателя. Когда поршень находится в верхней части цилиндра в начале такта впуска, впускной клапан открывается, и опускающийся поршень втягивает топливовоздушную смесь.
В нижней части хода впускной клапан закрывается, и поршень начинает движение вверх на такте сжатия, во время которого он сжимает топливно-воздушную смесь в небольшое пространство в верхней части цилиндра. Отношение объема цилиндра, когда поршень находится внизу, к объему, когда поршень находится вверху, называется степенью сжатия. Чем выше степень сжатия, тем мощнее двигатель и выше его КПД. Однако для установки устройств контроля загрязнения воздуха производителям пришлось снизить степень сжатия.
Непосредственно перед тем, как поршень снова достигнет верха, загорается свеча зажигания, воспламеняя топливно-воздушную смесь (в качестве альтернативы, смесь воспламеняется из-за теплоты сжатия). Смесь при горении становится горячим, расширяющимся газом, заставляя поршень опускаться вниз во время рабочего хода. Горение должно быть плавным и контролируемым. Иногда происходит более быстрое неконтролируемое горение, когда горячие точки в цилиндре вызывают предварительное зажигание смеси; эти взрывы называются детонацией двигателя и вызывают потерю мощности. Когда поршень достигает дна, выпускной клапан открывается, позволяя поршню вытеснять продукты сгорания — в основном диоксид углерода, монооксид углерода, оксиды азота и несгоревшие углеводороды — из цилиндра во время такта выпуска вверх.
Двухтактный двигатель механически проще четырехтактного. Двухтактный двигатель обеспечивает один рабочий такт за каждые два хода вместо одного за каждые четыре; таким образом, он развивает большую мощность при том же рабочем объеме или может быть легче и в то же время обеспечивать такую же мощность. По этой причине он используется в газонокосилках, цепных пилах, небольших автомобилях, мотоциклах и подвесных судовых двигателях.
Однако есть несколько недостатков, которые ограничивают его использование. Поскольку во время работы двухтактного двигателя количество тактов мощности в два раза больше, чем во время работы четырехтактного двигателя, двигатель имеет тенденцию к большему нагреву и, таким образом, вероятно, будет иметь более короткий срок службы.Также в двухтактном двигателе смазочное масло необходимо смешивать с топливом. Это вызывает очень высокий уровень углеводородов в его выхлопных газах, если только топливно-воздушная смесь не рассчитана на компьютере для максимального сгорания. Высокоэффективный экологически чистый двухтактный автомобильный двигатель в настоящее время разрабатывается компанией Orbital Engineering в рамках договоренностей со всеми автопроизводителями США.
Колумбийская электронная энциклопедия, 6-е изд. Авторское право © 2012, Columbia University Press. Все права защищены.
См. Другие статьи в энциклопедии: Технология: термины и понятия
Этапы двигателя внутреннего сгорания
Чтобы самолет двигался по воздуху, тяга создается какой-то двигательная установка. Начиная с братьев Райт ‘ первый полет, многие самолеты использовали двигатель внутреннего сгорания повернуть пропеллеры для создания тяги. Сегодня большинство самолетов гражданской авиации или частных самолетов с двигателем внутреннего сгорания (IC) , как и двигатель в вашем семейном автомобиле.Обсуждая двигатели, мы должны учитывать как механическая работа машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные Работа. На этой странице мы рассматриваем термодинамику четырехтактный Двигатель IC .
На рисунке показан внутренний вид Двигатель братьев Райт 1903 года в шесть раз, или ступени , во время термодинамический цикл. Двигатель Райта был выбран из-за его простоты, но те же шесть ступеней встречаются во всех четырехтактных двигателях IC .Этапы идут от левого верхнего угла к левому нижнему, затем от от нижнего правого до верхнего правого в непрерывном цикле. Мы обозначаем этапы по тем же причинам, что и станции из газотурбинный двигатель; чтобы лучше организовать наши анализ производительности двигателя. Разработан термодинамический цикл для четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. доктора Н. А. Отто, 1876 г. Цикл протекает следующим образом:
- Цикл начинается, когда впускной клапан открывается и смесь топлива и воздух всасывается в цилиндр из впускной коллектор.Поршень тянется к коленчатому валу, на рисунке слева, при постоянном давлении, потому что клапан открыт. Движение поршень называется ход . Этап 1 — начало впускной ход.
- В конце такта впуска впускной клапан закрывается, а поршень вернулся к камере сгорания. Поскольку клапаны закрыты, давление и температура увеличиваются адиабатическое сжатие. Этап 2 — начало ход сжатия.
- В конце такта сжатия, давление в камере сгорания максимальное. Свеча зажигания в современном двигателе, или контактный переключатель двигателя Райта, а затем генерирует электрическую искру, которая воспламеняет топливно-воздушная смесь. Этап 3 — начало процесс горения.
- В двигателе внутреннего сгорания горение происходит очень быстро и при постоянном объем в камере сгорания.Высокое давление заставляет поршень вернуться в исходное положение. в сторону коленчатого вала. Этап 4 — начало рабочий ход.
- В конце рабочего хода нагревать отклоняется в окружение, как того требует второй закон термодинамики. Этап 5 — начало теплоотдача.
- После отвода тепла выпускной клапан открывается и остаточный газ вытесняется в окружающую среду, чтобы подготовиться к следующему впускной ход. Этап 6 — начало такт выхлопа.
В конце такта выпуска условия вернулись к Этап 1 условий, и цикл повторяется. Вариация давление и цилиндр объем может отображаться на диаграмма p-V для Цикл Отто. Площадь участка равна полезной Работа генерируется одним цилиндром двигателя.
Деятельность:
Экскурсии
Навигация..
- Руководство для начинающих Домашняя страница
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Как работает двигатель внутреннего сгорания?
Наиболее массово производимые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в автомобилях работают на 4-тактной системе с тактом впуска, тактом сжатия, сгоранием, которое вызывает быстрое расширение газов, и рабочий такт с поршнем, движущимся на высоких скоростях вниз цилиндр.
Поршень соединен — достаточно предсказуемо — с шатуном или шатуном, который приводит в движение коленчатый вал. Чтобы сгладить импульсы, за двигателем установлен маховик, который действует как накопитель энергии.
Есть поворотная конструкция, но только Mazda придерживалась ее, и она не получила широкого распространения, в основном из-за проблем с надежностью уплотнения наконечников.
В течение многих лет было трудно снимать фактический процесс горения, но современные материалы означают, что теперь это возможно, вот классное видео процесса, на самом деле происходящего с разными видами топлива. Определенно не пытайтесь делать это дома.
В основном автомобили используют бензин (он же бензин) или дизельное топливо. Оба эти варианта сделаны из очищенной сырой нефти, но на самом деле существует множество альтернатив, которые мы обсудим в сопутствующей статье на следующей неделе.
В случае бензина искра используется для воспламенения смеси топливо / воздух, в то время как в дизельном топливе искра самовоспламеняется при высоких температурах и давлении двигателя с более высокой степенью сжатия. Это означает, что дизельные двигатели должны быть более прочными, что обычно приводит к более тяжелому двигателю. Причина, по которой некоторые транспортные средства, такие как грузовики, автобусы и промышленные автомобили, такие как экскаваторы, используют дизельное топливо, связана с кривой крутящего момента. Крутящий момент — вращающая сила на коленчатом валу измеряется силой x расстояние, часто указывается в Нм, т.е. сколько ньютонов силы на один метр.
В бензиновых двигателях он достигает пика при более высоких оборотах в минуту, что отлично подходит для гоночного автомобиля, но не подходит для самосвала.
Какие проблемы у двигателей внутреннего сгорания?
Топливо в основном производится из сырой нефти, тяжелой углеводородной смеси, запертой в земле, где она не может причинить никакого вреда. После сгорания в двигателе выбросы образуются в выхлопных газах. Таким образом, водород является топливной частью, прикрепленной к углероду, чтобы поддерживать его в жидком состоянии, а другими составляющими являются азот и кислород в воздухе.
Это создает несколько нежелательных проблем. Идеальное сгорание невозможно, поэтому двигатели неэффективны с термодинамической точки зрения — большая часть энергии топлива используется для нагрева, а не для приведения в движение автомобиля.
Выбросы выхлопных газов включают диоксид углерода, монооксид углерода, оксиды азота (Nox) и твердые частицы сажи (PM). Сэм Акехерст, профессор передовых систем трансмиссии Института передовых автомобильных силовых установок (IAAPS) Университета Бата на западе Англии, говорит: «Если взять среднее значение между дизельным и бензиновым двигателями, то у типичного нового двигателя будет пик. тепловой КПД тормозной системы двигателя около 42%.Мы ожидаем, что к 2025 году этот показатель вырастет примерно до 48%, а к 2035 году — до 53%, а с тяжелыми транспортными средствами — до 60%. Сначала это будет высокоэффективное, очень разбавленное, низкотемпературное сгорание и рекуперация тепла, а затем, возможно, новые циклы сгорания. NOx и PM будут в основном решены к 2025 году, независимо от топлива: при надлежащем управлении сгоранием и последующей очисткой уровни выхлопных газов могут быть ниже уровней окружающей среды, характерных для большинства зон с нулевым уровнем выбросов. (Полная статья здесь ).
Так что улучшения идут.Акехерст продолжает: «Термин« поршневой двигатель »включает в себя множество новых архитектур, но все они находятся в десятилетнем или более крупном производстве. Изучая дорожную карту автомобильных технологий правительства Великобритании, мы получили убедительные аргументы в пользу многих подходов, включая концепции с разделенным циклом и линейные поршневые генераторы. Когда ДВС развивается до уровня, когда он становится младшим партнером в системе электрифицированной трансмиссии, он может быть любым из них, может быть роторным, или даже чем-то, что еще не предлагалось.Между электрификацией и ДВС в гибридных автомобилях существует большая синергия. Когда уровень гибридизации достаточно высок, тогда двигатель может быть более эффективно оптимизирован для более ограниченного рабочего диапазона ».
На следующей неделе мы более подробно рассмотрим альтернативы топливу, а также возможности электромобилей.
Операндное измерение деформации решетки в компонентах двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов
Значение
Компоненты двигателя внутреннего сгорания испытывают экстремальные термомеханические циклы во время работы, и постоянная потребность в повышении эффективности двигателя при сохранении или повышении надежности движет развитием легкие материалы с улучшенной термической и механической целостностью.Понимание поведения новых материалов в динамической работе требует инструментов для определения характеристик, но обычные измерения поведения материалов на месте во время реальной работы двигателя очень ограничены, и не существует никаких практических средств для воспроизведения такой экстремальной динамики для исследования ex-situ. В этой работе мы демонстрируем, что проникающая способность нейтронов может обеспечить неинвазивное измерение деформаций решетки внутри компонентов работающего двигателя, что позволяет оперативно изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты в твердых материалах.
Abstract
Инженерная нейтронная дифракция может неразрушающим и неинвазивным образом исследовать эволюцию напряжений, деформаций, температуры и фаз глубоко в объемных материалах. В этой работе мы демонстрируем операндное измерение деформации решетки компонентов двигателя внутреннего сгорания методом дифракции нейтронов. Модифицированный промышленный генераторный двигатель был установлен в дифрактометре VULCAN в источнике нейтронов расщепления, и деформации решетки как в блоке цилиндров, так и в головке были измерены в статических условиях без воспламенения, а также в установившемся режиме и в циклических переходных режимах.Динамический временной отклик изменения деформации решетки во время переходного режима был определен в двух местах с помощью асинхронной стробоскопической дифракции нейтронов. Мы продемонстрировали, что операндно-нейтронные измерения могут позволить понять, как материалы ведут себя во всех эксплуатационных инженерных устройствах. Это исследование открывает путь для промышленных и академических сообществ, чтобы лучше понять сложность поведения материалов во время работы двигателей внутреннего сгорания и других реальных устройств и систем, а также использовать разработанные здесь методы для будущих исследований многочисленных новых платформ и сплавов.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) преобразует химическую энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию за счет прямой силы, действующей на компоненты двигателя в результате расширения газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании (1). Этот процесс представляет собой множество проблем с материалами, поскольку извлечение материала выполняется в высокодинамичной, реактивной и коррозионной среде, создавая экстремальные абсолютные значения и временн-пространственные градиенты температуры и давления. В поршневом двигателе оба неподвижных компонента (например,g., головка цилиндра, гильза и коллекторы) и движущиеся компоненты (например, поршни и клапаны) подвергаются сложным термомеханическим циклам с частотами от менее 1000 об / мин на холостом ходу до почти 20000 об / мин в гоночных приложениях. И двигатели с искровым зажиганием (бензиновые), и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) подвергаются быстрому выделению химической энергии, вызывая чрезвычайно переходные состояния нагрузки и температурные градиенты внутри камеры сгорания. Обычно двигатели работают при пиковой температуре газа, превышающей 2200 ° C, и пиковом давлении в диапазоне от 0.От 5 до 2,5 МПа при скорости повышения давления от 10 до 50 МПа / мс (2), а во время аномальных событий горения, таких как преждевременное зажигание и детонация, скорость повышения давления может превышать 100 МПа / мс (3). Тепловые потоки через различные поверхности в камере сгорания могут сильно различаться в разных местах из-за неоднородности дымовых газов (4) и могут локально превышать 10 МВт / м 2 в течение нескольких мсек, когда горящие топливные струи сталкиваются с поверхностями ( 5). Разработка и внедрение новых материалов с улучшенной механической и термической целостностью может повысить надежность и повысить эффективность, а также освободить место для повышенных рабочих температур и использования технологий принудительной подачи воздуха, что еще больше повысит эффективность.Кроме того, если будут приняты новые материалы, которые обладают более высокой удельной прочностью, есть потенциал для улучшения времени реакции на переходную нагрузку и для повышения экономии топлива транспортного средства за счет облегчения. Лабораторные исследования инженерных материалов с помощью физического моделирования часто проводятся в попытке удовлетворить требования строгой эксплуатации. Понимание динамического поведения, такого как температура, напряжение и деформация во время работы, ценно для разработки новых материалов и для инженеров, стремящихся улучшить эффективность, долговечность и безопасность.Однако из-за отсутствия инструмента неразрушающей оценки, который может имитировать реальные условия эксплуатации внутри ДВС, истинное понимание динамического термомеханического поведения и реакции компонентов двигателя ограничено.
Последние достижения в области источников нейтронов и нейтронной аппаратуры позволяют исследовать поведение материалов в сложных средах проб на месте как в сокращенных масштабах длины, так и времени (6⇓ – 8). Источник нейтронов расщепления (SNS) в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) — это самая интенсивная в мире установка для времяпролетных нейтронов (TOF), а высокий поток нейтронов дает возможность выполнять измерения дифракции нейтронов с высоким разрешением в диапазоне временные и пространственные масштабы в инженерных приложениях (6, 7, 9).Нейтронная дифракция часто используется для измерения деформации решетки (10, 11) из-за температуры или напряжения, текстуры микроструктуры и ее эволюции, а также фазовых фракций глубоко внутри инженерных компонентов, которые не могут проникнуть даже высокоэнергетические рентгеновские лучи, что делает нейтроны уникальными для изучения поведение материалов в крупных конструкциях (12). Дифрактометр для инженерных материалов VULCAN (13, 14) в SNS предназначен для исследования деформации, фазового превращения, остаточных напряжений и текстуры в технических материалах, которые обычно проходят физическое моделирование в лабораторном масштабе с приложенной нагрузкой и температурами.Падающие щели и коллимация перед блоками дифракционных детекторов ± 90 ° (14) позволяют зондировать небольшой воксельный или измерительный объем внутри конструкции или устройства даже в рабочих условиях. Система сбора нейтронных данных по времени и событию регистрирует полную картину дифрагированных нейтронов с отметками времени и обеспечивает прямые измерения с временным разрешением (7, 15). Эти преимущества инженерной дифракции нейтронов в режиме TOF открывают прекрасную возможность исследовать динамический отклик материала в реальном времени в реальных условиях эксплуатации.Воспользовавшись этими уникальными возможностями в VULCAN, мы демонстрируем измерение изменений шага решетки из-за температуры и напряжения в головке цилиндров ДВС во время переходных режимов. Асинхронная накачка-зонд или стробоскопическое измерение нейтронов (7, 16⇓ – 18) использовалось для определения быстрых зависимостей от времени. Эта работа показывает будущий потенциал измерения быстрой динамики работы конкретных компонентов двигателя с использованием мощной проникающей способности нейтронов с большим потоком в SNS.
Экспериментальная установка
Экспериментальная платформа Operando Engine.
Чтобы продемонстрировать возможность безопасной эксплуатации работающего двигателя в качестве экспериментальной платформы для работы на VULCAN, коммерчески доступный электрический генератор, работающий от карбюраторного одноцилиндрового малокалиберного ДВС, был модифицирован и введен в эксплуатацию в испытательной камере двигателя в Национальных транспортных исследованиях. Центр (НТРК). NTRC — это пользовательский объект DOE, расположенный в ORNL и оборудованный для исследований инновационных технологий ICE и систем управления.Технические характеристики модифицированного ДВС приведены в таблице 1. Схема, иллюстрирующая конфигурацию двигателя и взаимное расположение измерительных объемов, представлена на рис. 1 A .
Таблица 1.Характеристики генератора и двигателя
Рис. 1.Детали эксперимента. ( A ) Схема в разрезе одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением с репрезентативными положениями измерительных объемов, выделенными как в головке, так и в блоке цилиндров. ( B ) Изображение модифицированного двигателя, установленного на канале связи VULCAN с приборами.( C ) Схема экспериментальной конфигурации (вид сверху), показывающая двигатель, установленный вдоль плоскости 45 °, разделяющей пополам падающий луч, и детекторы (B1 и B2) с измерительным объемом, расположенным в головке блока цилиндров. Камера расположена вдоль ортогональной плоскости под углом 45 ° с видом, показанным на рис. 4.
Для этого эксперимента было несколько уникальных ограничений, связанных с ограниченным физическим пространством образца в дифрактометре, отсутствием специализированных средств тестирования двигателя, таких как динамометр внутри дифрактометра, и тот факт, что нейтроны сильно ослабляются 1 H из-за его большого сечения некогерентного рассеяния.Эта экспериментальная платформа была выбрана и разработана с учетом следующих соображений безопасности и сбора данных: 1) экспериментальная установка обеспечивала автономную практическую работу работающего двигателя, 2) компактные габаритные размеры, не выходящие за пределы ограниченного пространства на VULCAN, 3) интегрированный генератор устранил необходимость в автономном динамометре для приема нагрузки от двигателя, 4) двигатель имел воздушное охлаждение и, таким образом, не сталкивался с проблемами сильного ослабления нейтронов или рассеяния водородосодержащим хладагентом, 5) двухклапанная конструкция толкателя сводила к минимуму количество стальных компонентов в головке блока цилиндров, которые могли бы ослабить рассеянные нейтроны из измерительного объема (ов); 6) относительно простая конструкция системы смазки не имела масляных каналов вдоль верхней или передней части двигателя, которые могли бы ослабить падающие или рассеянные нейтроны, и 7) электростартер позволял запускать двигатель дистанционно.
Помимо соответствующих экспериментальных соображений, связанных с VULCAN, которые были решены при использовании двигателя с воздушным охлаждением, геометрическая сложность, представленная охлаждающими ребрами и внутренней геометрией детали, сделала его хорошим испытательным стендом для проверки литейных свойств алюминиево-цериевого (AlCe) сплава. совместная разработка ORNL и Eck Industries. Геометрия головки блока цилиндров Honda GX200 была измерена с помощью рентгеновской компьютерной томографии и импортирована в модель CAD с помощью программного обеспечения для сканирования. После импорта формы для литья в песчаные формы были напечатаны с использованием системы аддитивного производства связующего (19).Этот метод устранил длительное время изготовления традиционной оснастки и снизил стоимость запуска опытного образца небольшой партии, и получившаяся головка блока цилиндров из AlCe показана рядом с исходной головкой блока цилиндров на рис. 2. Преимущества этой технологии могут быть использованы в будущем. экспериментаторам, чтобы быстро проверить новые материалы или влияние геометрии системы на охлаждение и внутреннюю деформацию во время работы. Сплав AlCe, из которого изготовлена головка, был разработан в рамках проекта Института критических материалов и предназначен для высокотемпературных применений, в которых алюминиевые сплавы долгое время изо всех сил пытались найти применение.Сплав использует в качестве первичной добавки элемент церий и имеет состав Al-12 мас.% Ce-0,4 мас.% Mg. Этот состав был выбран, поскольку он находится рядом с эвтектикой Al-Ce, создающей литейный материал, и предыдущие нейтронные исследования, проведенные с этим сплавом, показали, что незначительные добавки Mg оказывают большое положительное влияние на способность распределения нагрузки большей части Al 11 Ce 3 интерметаллид (20). Высокая термическая стабильность упрочняющих интерметаллидов алюминия-церия, которые образуются во время затвердевания при традиционных скоростях литья, в отличие от осаждения во время дорогостоящих длительных термообработок, делает этот материал хорошим кандидатом для ДВС следующего поколения.Термическая стабильность сплавов является результатом почти нулевой растворимости и сопутствующей низкой диффузии Се в алюминиевой матрице, что означает, что упрочняющие богатые церием интерметаллические фазы блокируются при затвердевании и видят лишь незначительные недетериальные морфологические изменения во время длительного воздействия повышенных температур ( 20).
Рис. 2.Литая головка блока цилиндров OEM-производства ( Левая ), изображенная рядом с головкой блока цилиндров из AlCe ( Правая ), изготовленная из форм, напечатанных на 3D-принтере. Оборудование головки цилиндров, включая монтажные шпильки, клапаны и свечу зажигания, было перенесено с головки OEM на головку AlCe.
Платформа двигателя / генератора была подготовлена для использования в нейтронном дифрактометре путем снятия сначала монтажной рамы, внешнего кожуха и всех посторонних крышек и пластиковых компонентов, чтобы минимизировать ослабление нейтронов. Стальной топливный бак был удален и заменен удаленным топливным баком, соединенным гибким шлангом. Стальной глушитель был удален и заменен секцией выхлопной трубы, которая была оснащена термопарой типа K для измерения температуры выхлопных газов.Чтобы получить значимые результаты нейтронной дифракции во время работы двигателя, важно, чтобы целевой измерительный объем оставался постоянным во время каждого измерения. С этой целью разобранный узел был жестко закреплен на алюминиевой макетной плате, чтобы минимизировать вибрационное смещение двигателя во время работы, а окончательный приборный узел показан установленным на VULCAN на рис. 1 B . Обратите внимание, что термин «смещение» используется здесь для обозначения амплитуды колебательного движения внутри конструкции двигателя, а не рабочего объема двигателя.
Автономные испытания были проведены в NTRC для обеспечения безопасной и надежной работы модифицированного двигателя до проведения нейтронографических экспериментов на VULCAN. Вибрационное смещение измерялось трехосевым акселерометром (PCB Piezotronics Model 356B21), установленным на картере двигателя, а также лазерным триангуляционным датчиком (Microtrak 3), направленным на интересующее место на головке блока цилиндров. Двигатель работал при трех режимах нагрузки, подавая электрическую нагрузку на генератор с программируемым набором нагрузок.Эти условия составляли 0 (двигатель на холостом ходу), 1530 и 2586 Вт, что соответствует 0, 55 и 92% номинальной нагрузки генератора соответственно. Генератор также имеет настройку Eco-Throttle, которая снижает частоту вращения двигателя на холостом ходу для снижения расхода топлива и шума, и этот режим также был протестирован. Среднеквадратичные значения вибрационного смещения (среднеквадратичное смещение), измеренные акселерометром и лазером, показаны на рис. 3. Самые низкие уровни среднеквадратичного смещения наблюдались на холостом ходу с включенным Eco-Throttle, тогда как среднеквадратичное смещение было относительно нечувствительным к нагрузке с настройка отключена.Согласование всех измерений по тренду было хорошим, и общая величина лазерного излучения и оси акселерометра z находилась в хорошем соответствии. Все измеренные значения среднеквадратичного смещения были ниже 0,5 мм, что представляет собой 10% -ный порог для измерительной длины 5 мм, используемой в этом исследовании.
Рис. 3.Вибрационное смещение внешней конструкции двигателя в четырех рабочих условиях, измеренное трехосевым акселерометром и лазерным датчиком смещения. Все измерения показывают среднеквадратичное значение <0.5 мм или менее 10% размера измерительного объема.
После успешного ввода в эксплуатацию на НТРК, обеспечивающего безопасную работу и приемлемые колебательные смещения при работе в модифицированной конфигурации, двигатель и вспомогательные системы были установлены на VULCAN. Схема на рис. 1 C показывает схему операндо эксперимента. Узел двигателя и генератора был установлен наверху ступени поступательного / вращательного движения на пересечении падающего луча и коллиматоров (14).Дистанционная подача топлива была расположена рядом с двигателем, но вне прямого пути луча и на большей высоте, так что топливо могло подавать самотеком в карбюратор без необходимости в топливном насосе. Сигналы от акселерометра и термопары температуры выхлопных газов направлялись в систему сбора данных для мониторинга состояния двигателя в реальном времени. Управление двигателем осуществлялось дистанционным стартером и выключателем, расположенным в диспетчерской VULCAN. Выходная мощность генератора измерялась программируемым блоком нагрузки, расположенным за пределами экспериментального корпуса VULCAN и рядом с диспетчерской.Вся проводка и шланги, подключенные к двигателю и генератору, были расположены вне путей пучка и закреплены с помощью устройства снятия натяжения, чтобы обеспечить перемещение и вращение узла двигателя во время работы. Выхлопные газы из двигателя по гибкому воздуховоду направлялись в вытяжную систему установки.
Внешнее инфракрасное измерение температуры.
В дополнение к измерению выхлопных газов термопарой, инфракрасная (ИК) камера (FLIR T450sc) записывала со скоростью 30 кадров в секунду, чтобы контролировать температуру внешних поверхностей.Точка обзора ИК-камеры была аналогична точке обзора камеры позиционирования образца, показанной на рис. 1 C . Излучательная способность была откалибрована с помощью термопары для поверхностного монтажа, размещенной на головке блока цилиндров; поэтому значения ИК-температуры и изображения, такие как рис. 4, являются количественными только для головки блока цилиндров из AlCe и являются качественными в других местах.
Рис. 4.( Слева ) Инфракрасное изображение температуры двигателя через 1 мин после запуска. ( Средний ) Фотография двигателя с камеры выравнивания образца.( Справа ) Расположение пространственного картирования 11 × 15 (белые кружки) и выбранные точки в блоке цилиндров (желтый ромб) и головке цилиндра (желтый кружок) для измерений деформации с временным разрешением. Места, отмеченные красными кружками, имели плохую статистику соответствия в одном или нескольких пространственных сопоставлениях, в первую очередь из-за открытой внутренней области в выпускном отверстии (верхний кластер) и утопленных областей отливки, которые могли частично похоронить измерительный объем. (средний кластер).
Нейтронографическое измерение статических и динамических деформаций решетки.
Схема операндного измерения дифракции нейтронов проиллюстрирована на рис. 1 C . Падающий луч в SNS является импульсным и работает на частоте 60 Гц. Энергия и длина волны нейтронов разрешаются и количественно оцениваются с помощью записанного времени пролета нейтронов с каждым временем излучения импульса и временем прохождения по фиксированной траектории полета прибора. Настройка прерывателя 30 Гц использовалась для обеспечения широкого диапазона измерения межплоскостного расстояния решетки (d-шаг) от 0.От 5 до 2,5 Å. Падающий луч коллимировался до размеров 5 × 5 мм 2 с помощью моторизованных падающих щелей перед образцом. Хотя падающий луч рассеивается по всей длине своего пути через образец, радиальные приемные коллиматоры, прикрепленные к двум противоположным блокам детекторов B1 и B2, расположенным перпендикулярно падающему лучу (± 90 °), ограничивают угловой диапазон, из которого рассеянные нейтроны могут достигают детекторов, в результате чего получается измерительный объем 5 × 5 × 5 мм 3 , как показано на рис.1 С . Каждый блок детекторов измеряет изменения шага решетки вдоль биссектрис углов между падающим лучом и дифрагированным лучом (± 45 °). Благодаря импульсной конфигурации пучка TOF, индивидуальные зависящие от местоположения d-интервалы решетки в измерительном объеме могут быть измерены сразу без необходимости вращения образца или детекторов. Подробнее об инженерной дифракционной установке можно прочитать в предыдущей работе (14). Поскольку положения пучков падающих лучей и детекторов фиксированы, расположение измерительного объема в двигателе было изменено путем изменения положения всей установки двигателя с помощью предметного столика для отбора проб.
Результаты и обсуждение
Пространственное отображение распределения деформации решетки.
Чтобы продемонстрировать возможность пространственно разрешенной операндной дифракции нейтронов в ICE, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано на рис. 4. Эта сетка была расположена под внешней поверхностью двигателя в области, охватывающей границу раздела между блоком цилиндров, который состоит из литого сплава алюминия, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и цилиндром. головка, которая состоит из литого сплава AlCe.Поскольку оба сплава основаны на Al, они оба содержат матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) фазой с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, расстояние d данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связано с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки ГЦК, по формуле dhkl = ah3 + k2 + l2. [1] Затем можно определить деформацию решетки в заданном месте (x, y, z) путем сравнения измеренного значения dhkl (x, y, z) с эталонным значением dhkl0 (x, y, z): ϵhklx, y, z = dhklx, y, z − dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.[2] При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений в составе. Остаточные напряжения от литья, изготовления, сборки и предыдущей операции затрудняют неразрушающее измерение истинных без напряжений d-зазоров во всей системе.Во многих случаях знание того, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступно из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика только частично заполнен материалом в некоторых местах измерения (частичное захоронение) (10), например, вблизи поверхности.
Здесь мы выбрали опорные значения решетки d3110 (y, z) на основе сопоставления с пространственным разрешением в начальном состоянии двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было проведено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (~ 25 ° C) по ранее описанной 2D-сетке, и каждое местоположение было измерено в течение примерно 1 мин. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, поскольку на него меньше всего влияют межзеренные деформации, возникающие из-за анизотропии материала (10) и другой локальной информации, такой как текстура отливки. Расстояние между пиками (311) d определяли путем подгонки одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction и Interactive Visualization для режима нейтронной дифракции в режиме событий (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное сопоставление визуализировано на рис. 5 A в виде графика псевдоцвета. Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, причем головка имеет тенденцию иметь более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственного изменения скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. Рис. 5 A показывает, что зависящий от местоположения d3110 (y, z) важен для точного расчета отклика на деформацию при работе двигателя.
Рис. 5.( A ) Пространственное отображение (311) местоположения пика Брэгга ( d 311 ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подгонки пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены белыми заполненными кружками и показаны в B . Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна на карте d 311 и соответствует областям, выделенным на рис.4. ( B ) Местоположение с хорошей статистикой соответствия пика имеет четко видимые (222) и (311) пики, тогда как местоположение с плохой статистикой не имеет заметных пиков относительно фона. ( C ) Пространственное картирование d 311 при горячей стационарной работе двигателя — выполнено лишь частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформации решетки ( ϵ 311 ), рассчитанная путем сравнения d 311 во время работы двигателя в установившемся режиме ( C ) и статического эталонного состояния ( A ).Исключенные точки в D представляют собой объединение исключений из A и C . Напряжение монотонно увеличивается к правому верхнему углу рисунка, который находится рядом с отверстием для горячего выхлопа (рис. 4). ( E ) Примерные спектры для одного места, используемые для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термически индуцированной деформации.
Обратите внимание, что не все точки измерения использовались при создании визуализации эталонного картирования — некоторые были исключены из-за плохой статистики подгонки пиков.Эти местоположения также отмечены на рис. 4 и делятся на два основных кластера. Группа в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рис. 2), где мало или совсем не материал занимает измерительный объем. Группа около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение измерительного объема. Два примера дифракционных картин от эталонного отображения показаны на рис. 5 B . Один взят из места с хорошей статистикой подгонки пиков, в котором есть четко различимые пики (222) и (311).Другой узор взят из места в выпускном отверстии, не имеет заметных пиков относительно фона и был исключен из визуализации карты.
В соответствии с эталонным картированием, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут для каждого местоположения. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые попадают брызги топлива (5, 23, 24) и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), являются подверженные быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в течение времени порядка миллисекунд, а проникновение тепловой волны в конструкцию двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет фактически постоянной при условии, что двигатель работает с постоянной выходной мощностью и достиг установившегося теплового режима.
Карта операнда d311 (y, z) показана на рис. 5 C и была подготовлена аналогично справочной карте на рис. 5 A . Карта действия была измерена ближе к концу выделенного времени луча, и утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для поиска неисправностей и ремонта.Тем не менее, этот набор измеренных данных демонстрирует доказательство принципа. Две карты имеют в целом схожий внешний вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндов на рис. 5 C была смещена в сторону больших значений d-интервала из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация операндной решетки ϵ311y, z была рассчитана по формуле. 2 и показан на рис. 5 D . Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений во входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от низкого уровня (2365 ± 112 мкл) в блоке цилиндров до высокого (4096 ± 86 мкМ) в головке блока цилиндров и монотонно увеличивалась к правому верхнему углу карты, который ближе всего к горячему. выхлопное отверстие, как показано на рис. 4. Используя измеренный коэффициент теплового расширения (CTE) 23,5 × 10 −6 ° C −1 для сплава головки блока цилиндров AlCe и предполагая, что деформация полностью вызвана тепловым расширением приводит к предполагаемому повышению температуры на 174 ° C.3 ± 5,2 ° C, или абсолютная температура ∼200 ° C в месте наивысшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 −6 ° C −1 (26). Использование CTE 21,8 × 10 −6 ° C −1 для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, приводит к предполагаемому увеличению температуры на 108,5 ± 5,7 ° C или к абсолютной температуре ∼133. ° C в месте с наименьшей деформацией на карте. Видно хорошее качественное согласие между подповерхностной деформацией решетки (и предполагаемой температурой) на рис.5 D и ИК-измерения температуры поверхности, показанные на рис. 4.
После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, та же область была перенесена на ту же сетку измерений, и результирующая карта d311 (y, z) Показано на рис.6 A . Используя справочную карту на рис. 5 A как d3110 (y, z), деформация решетки ϵ311y, z была рассчитана для каждого местоположения с использованием уравнения. 2 . Результирующая карта микродеформации на рис. 6 B довольно плоская, с большинством местоположений в пределах ± 100 με, что приближается к пределу разрешения дифракционной техники.Примеры дифракционных картин до и после от места в головке блока цилиндров показаны на рис. 6 C и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения. Это отображение до и после показывает, что головка двигателя из литого сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов, зависящих от местоположения, эффективен для устранения вклада вариаций d-шага эталонной решетки и позволяет количественно оценить деформации, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.
Рис. 6.( A ) Пространственное отображение d 311 после того, как двигатель был выключен и ему дали остыть до комнатной температуры, с тем же масштабом, что и на рис. 5 A и в целом похожим внешним видом. ( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкМ. Исключенные точки представляют собой совокупность исключений из рис. 5 A и 6 A . ( C ) Примеры дифракционных картин в одном месте до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.
Отклик на деформацию решетки с временным разрешением во время работы двигателя.
Для изучения реакции динамической деформации решетки во время работы двигателя было выбрано одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров из AlCe, как показано на рис. 4, справа. Двигатель работал вручную в трех переходных циклах нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 минут, ступенчатого переключения на нагрузку генератора 2 кВт (~ 50% номинальной мощности), удерживаемого в течение 5 минут, и остановка двигателя с периодом охлаждения 6 мин.Поскольку нейтронный поток недостаточен для захвата дифракционных картин в реальном времени в этих временных масштабах, для определения изменяющейся во времени реакции системы использовалось непрерывное асинхронное стробоскопическое измерение нескольких переходных циклов нагрузки. Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные нейтронной дифракции во времени и данные термопары выхлопа непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Срез стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и журналов выборки выполнялись с помощью программы VDRIVE (21), которая позволяла создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных временных интервалах.Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках из предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах данного временного интервала. Как правило, для достижения меньшего размера временного интервала потребуется пропорционально большее количество повторений. Дифракционные данные ансамбля с бином показаны на рис. 7 A ; Сдвиги пиков FCC (311) и FCC (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.
Рис. 7.( A ) Решетки Al (222) и Al (311) головки блока цилиндров эволюционируют во время цикла нагрузки двигателя. Данные показаны в виде 20-секундных интервалов времени, суммированных по ансамблю из 21 цикла нагрузки, со сдвигами решетки относительно значений температуры в помещении, соответствующих изменению температуры внутри двигателя во время цикла нагрузки. Контрольные значения d2220 и d3110 были рассчитаны из измеренного a0 = 4,0485 (3) Å с использованием уравнения. 1 . ( B ) Типичная картина TOF-дифракции от блока цилиндров с уточнением Ритвельда.Наблюдаются и подходят как фаза Al, так и интерметаллическая фаза, содержащая Si.
Принимая во внимание, что при пространственном картировании в статических или установившихся условиях, показанных на рис. 5 и 6, размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее практичным. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой подгонки, было применено уточнение Ритвельда полной картины, которое использует метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всем измеренным дифракционным спектрам, а не к отдельным пикам (27 ), как показано на рис.7 В . Это было реализовано на каждой из дифрактограмм срезов с использованием General Structure Analysis System (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), и параметры решетки сплавов Al были извлечены как (t, y, z) для каждого местоположения. Затем была рассчитана деформация решетки с временным разрешением аналогично формуле. 2 , где параметр решетки a использовался вместо d311: ϵt, y, z = at, y, z − a0y, za0y, z. [3] Деформация решетки ансамбля с временным разрешением в двух местах изображены на рис.8 вместе с типичными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке цилиндров. Когда двигатель запускался на холостом ходу, температура сначала быстро повышалась и асимптотически приближалась к установившемуся состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотического подхода наблюдалась при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, поскольку термопара находилась в ядре, или в самой горячей части газового потока, который прекращался сразу после выключения.И наоборот, температура инфракрасной поверхности показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку при выключении двигателя также отключался охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе. Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся теплопроводная теплопередача из более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности перед изменением тенденции и уменьшением со значительно более медленной скоростью, чем температура выхлопных газов. Данные по совокупности деформаций нанесены на временные интервалы по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на температурные кривые с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывает на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндров, и согласуется с ИК-изображениями на рис. 8 и картированием стационарной деформации, показанным на рис. 5 D .
Рис. 8.( Вверху ) Последовательность ИК-изображений, показывающих изменение температуры поверхности во время переходного цикла нагрузки. ( Bottom ) Отклик ансамбля на деформацию решетки из выбранных мест, измеренный в блоке цилиндров и головке цилиндров путем дифракции нейтронов во время переходных циклов нагрузки, по сравнению с одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и температуры ИК-поверхности головки цилиндров.
Деформация решетки, измеренная внутри головки цилиндров, нанесена на график зависимости от ИК-температуры, измеренной на поверхности головки цилиндров на рис. 9. Следует отметить несколько предостережений относительно этого сравнения: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в дополнение к тепловое расширение; измерительный объем, измеренный методом дифракции нейтронов, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка измерительной длины (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; излучательная способность для ИК-измерения была откалибрована поверхностной термопарой в одной точке на головке блока цилиндров и предполагается, что она одинакова для всей головки блока цилиндров; ИК-измерение берется из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с нейтронографическим измерением) и были извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселей, которая была выбрана вручную как место на поверхности, наиболее близкое к объему нейтронного датчика, как это видно камерой позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.С учетом этих требований рис. 9 действительно показывает сильную корреляцию между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R 2 = 0,95). Данные были подогнаны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов с масштабированной ошибкой, связанной с каждой точкой, используемой для взвешивания данных, как ωi = (max (σx) / σx, i) 2+ (max (σy) / σy, i) 2 в дополнение к использованию двухквадратных весов при минимизации остатков, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 −6 ° C −1 примерно на 10% больше, чем заявленный КТР материала, но находится в очень разумном согласии с учетом оговорок, упомянутых выше, и указывает на то, что деформация решетки вызвано преимущественно тепловым расширением.Сильная корреляция между нейтронографическими данными и другими показателями динамического поведения системы, показанными на рис. 8 и 9 демонстрирует, что стробоскопическая дифракция нейтронов способна неразрушающим образом исследовать динамическую эволюцию деформации решетки во время переходной работы в работающем двигателе.
Рис. 9.Деформация решетки, измеренная под поверхностью головки блока цилиндров методом нейтронной дифракции, показывает сильную корреляцию с температурой, измеренной на поверхности головки с помощью инфракрасной камеры.
Проблемы и ограничения.
В отличие от хорошо охарактеризованных и специально разработанных образцов, которые обычно используются для нейтронных исследований, исследования реальных инженерных устройств и систем на месте сопряжены с рядом проблем.
Геометрическая сложность.
Реальные устройства часто имеют сложные геометрические элементы, такие как ребра охлаждения на рассматриваемом здесь двигателе. Даже если номинальная геометрия известна априори, что не всегда так, вариации, возникающие в результате литья или других процессов изготовления, могут вносить неопределенность в отношении фактических размеров образца.Это может создать трудности при выравнивании образца и размещении измерительного объема. Использование реперных маркеров с системой лазерного сканирования и юстировки важно для многократного определения местоположения образца в пространстве, но, как правило, не дает информации о внутренних характеристиках образца.
Вибрация и движение.
Для извлечения значимых результатов из данных дифракции требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это просто, поскольку в измерительном объеме всегда присутствует один и тот же материал. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным отбором образца из объема. Поэтому обычно рекомендуется поддерживать смещение измерительного объема ниже 10% расчетной длины. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя это можно преодолеть, если движение может быть синхронизировано с нейтронным импульсом или если положение может быть измерено в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.
Размеры зерен.
Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами в практике использования дифракции для измерения деформации решетки в объемных материалах. Если отдельное зерно занимает значительную часть измерительного объема, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к пятнистым дифракционным картинам и ошибочным результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, так как размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по сравнению с измерительным объемом (5 × 5 × 5 мм 3 ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, которые обычно используют гораздо меньшие калибровочные объемы.
Затухание и рассеяние.
Большие образцы могут представлять проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, причем каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al очень прозрачен с комбинированной глубиной проникновения 1 / e 102 мм (нейтроны 1 Å), Fe вызывает значительно более высокое затухание с глубиной проникновения 1 / e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния 1 H означает, что водородсодержащие материалы, такие как пластмасса, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы с глубиной проникновения 1 / e для воды всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают измерительного объема, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое верно и для нейтронов, рассеянных от измерительного объема к детектору, с дополнительным усложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение на детекторе.Сильно рассеивающие материалы могут также увеличить скорость счета фона, дополнительно увеличивая необходимое время счета. Обычно рекомендуемые подходы состоят в том, чтобы удалить или заменить твердые компоненты, такие как сталь, пластик или другие ослабляющие материалы, алюминием, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность Al является ограничением, также можно использовать Ti. Точно так же водородсодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать особую ориентацию образца, чтобы избежать помех.
Активация.
Хотя нейтронная диагностика, как правило, неразрушающая с точки зрения механического или химического изменения образцов, нейтронно-индуцированная радиоактивность (активация) действительно вызывает беспокойство для определенных материалов. Активация зависит от изотопного состава и количества материала, а также от потока нейтронов и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа 27 Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации 28 Al имеет относительно короткий период полураспада 2,245 мкм, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже высвобождаемых пределов радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, 59 Co, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, 60 Co, имеет период полураспада 5.275 л (30). В зависимости от концентрации Co и общего нейтронного облучения стальным образцам могут потребоваться дни или десятилетия для разложения ниже допустимых пределов радиоактивности. Поэтому важно, чтобы пользователи имели заранее как можно больше информации о составе их образцов, и пользователи всегда должны быть готовы к тому, что образцы не могут быть выпущены немедленно.
Резюме и перспективы
Мы продемонстрировали операндное измерение деформации решетки компонентов ДВС методом нейтронографии.Пространственное изменение деформаций решетки, вызванное тепловыми градиентами в блоке цилиндров и головке цилиндров, было нанесено на карту в установившемся состоянии нагрузки, и тенденции согласовывались с внешними инфракрасными измерениями температуры поверхности. Разрешенный во времени динамический отклик деформации решетки во время циклической нагрузки двигателя был определен в двух местах в 20-секундных временных интервалах с помощью асинхронной стробоскопической нейтронной дифракции, демонстрируя, что измерение операндных нейтронов может позволить понять поведение материалов в эксплуатации в сложные инженерные устройства.Динамический отклик деформации решетки отражал измерения температуры, а деформация решетки, измеренная в головке цилиндров, сильно коррелировала с измерением температуры в инфракрасном диапазоне на поверхности головки цилиндров.
Развитие этого метода измерения рабочих деформаций, испытываемых ДВС, позволит изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты по всему объему твердых компонентов. Понимание этих систем с пространственным и временным разрешением ранее было доступно только с помощью моделей, поддерживаемых точечными измерениями, такими как термопары с быстрым откликом.Возможность предоставлять экспериментальные данные о проверке и граничных условиях в аналогичных масштабах и пространственной протяженности для областей, исследуемых в эксафлопсных моделях следующего поколения, расширит влияние инженерной нейтронной дифракции за счет увеличения пользовательской базы, а также расширения наших знаний о поведении материалов в сложных и сложных условиях. экстремальные условия эксплуатации.
Это исследование также служит отправной точкой для разработки специализированной нейтронографической исследовательской машины, которая ведется в ORNL.В то время как небольшой двигатель с воздушным охлаждением, использованный в этом исследовании, был выбран в основном из-за простоты реализации и управлялся вручную для достижения временного разрешения 20 с, разрабатываемая платформа будет представлять современные автомобильные двигатели и будет иметь тесную интеграцию между двигателями. контроллер и система сбора данных нейтронного дифрактометра для достижения временного разрешения, равного субмсек в стробоскопическом режиме. Этот двигатель также будет служить модульной исследовательской платформой, чтобы предоставить доступ другим пользователям, которые могут пожелать исследовать характеристики новых материалов в реальных условиях работы двигателя.Подход, принятый в этом исследовании для быстрого прототипирования пресс-форм для изготовления головки блока цилиндров из сплава AlCe и выполнения измерений деформации решетки в этом компоненте при использовании в реальном двигателе, служит примером того, как пользователи могут использовать производство и транспортировку. , а также установки пользователей нейтронов в ORNL для исследования поведения материалов в процессе эксплуатации без необходимости разрабатывать всю экспериментальную установку с нуля.
Выражение признательности
Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DOE), Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением транспортных технологий через программу Advanced Combustion Engine Systems.В этом исследовании использовались ресурсы SNS, Управления науки Министерства энергетики США, и NTRC, Управления по энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США, находящихся в ведении ORNL. Исследование сплавов AlCe спонсировалось Институтом критических материалов, центром энергетических инноваций, финансируемым Министерством энергетики, Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением перспективного производства и Eck Industries. Эти работы выполнялись под эгидой Министерства энергетики и ORNL по контракту DE-AC05-00OR22725.Мы благодарим Стивена Уиттеда из ORNL за его вклад, который выполнил модификацию и упаковку двигателя для работы в дифрактометре. Автором этой рукописи является UT-Battelle, LLC по контракту DE-AC05-00OR22725 с Министерством энергетики США. Правительство США сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, подтверждает, что Правительство США сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой рукописи или на разрешение другим делать это. для целей правительства США.DOE предоставит публичный доступ к этим результатам исследований, спонсируемых на федеральном уровне, в соответствии с Планом публичного доступа DOE (energy.gov/downloads/doe-public-access-plan). Поддержка набора данных DOI 10.13139 / ORNLNCCS / 1728670 обеспечивается Министерством энергетики США, проект IPTS-18431 по контракту DE-AC05-00OR22725. В рамках проекта IPTS-18431 использовались ресурсы Oak Ridge Leadership Computing Facility в Oak Ridge National Laboratory, который поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США по контракту No.DE-AC05-00OR22725.
Сноски
-
Вклад авторов: Y.C., M.J.F., O.R., Z.C.S., D.W., E.T.S. и K.A. спланированное исследование; M.L.W., Y.C., M.J.F., S.J.C., O.R., Z.C.S., E.T.S. и K.A. проведенное исследование; M.L.W., Y.C. и К.А. проанализированные данные; и M.L.W., Y.C., S.J.C., O.R., Z.C.S. и K.A. написал газету.
-
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.
-
Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.
- Copyright © 2020 Автор (ы).Опубликовано PNAS.
Эксплуатация двигателей внутреннего сгорания на дигазе для производства электроэнергии — Сообщество по изучению окружающей среды в животноводстве и птицеводстве
От мусора стоит домой | Больше слушаний….
Краткое содержание презентации
Целью данного исследования является рассмотрение характеристик двигателя и технологических вопросов, связанных с выработкой электроэнергии из газа варочного котла в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Используются исследования, проведенные в Лаборатории двигателей и преобразования энергии (EECL) Государственного университета Колорадо (CSU), а также опубликованные материалы других организаций.
Варочный газ (дигаз) можно эффективно использовать в двигателях внутреннего сгорания для производства электроэнергии, чтобы компенсировать эксплуатационные расходы и / или продать его электроэнергетическому предприятию. Для этой цели обычно используются стационарные промышленные двигатели. Четыре области применения, в которых системы были успешно продемонстрированы, — это очистные сооружения, предприятия по переработке отходов животноводства, свалки и системы переработки сельскохозяйственных отходов. Во всех этих случаях дигаз образуется путем анаэробного переваривания или биометанизации.В этих областях существует много общих технических проблем с двигателями, хотя системы генерации дигаза, используемые в каждом случае, различны. В этой презентации рассматриваются вопросы, относящиеся к работе двигателей на дигазах. Основное внимание уделяется предприятиям по утилизации отходов животноводства, но презентация опирается на другие области применения, чтобы получить техническую информацию, связанную с технологией двигателей. Обсуждаются конкретные типы стационарных двигателей. Высокая эффективность двигателя и удельная мощность важны для экономической жизнеспособности систем анаэробного сбраживания.Проанализированы эксплуатационные и конструктивные изменения двигателя, направленные на поддержание высокого КПД и удельной мощности при заправке дизельным топливом. Решение проблем, связанных с обслуживанием двигателей, также является ключом к экономической жизнеспособности. Оцениваются коррозионные газы, содержащиеся в дигазе, такие как сероводород (H 2 S).
| Рис. 1 Измерение метанового числа различных газообразных топлив. |
Термин биогаз — это широкий термин, охватывающий как дигазовый, так и древесный газ.Эти газы очень разные по своим свойствам горения. Газ-продуцент генерируется в газогенераторе путем окисления биомассы в среде с недостатком кислорода. Промежуточный газ содержит высокие концентрации водорода (H 2 ) и окиси углерода (CO), небольшую концентрацию метана (CH 4 ) и высокие концентрации разбавителя (CO 2 и N 2 ). Напротив, дигаз — это в первую очередь CH 4 (50-80%) и CO 2 (20-50%). Одно из основных различий между дигазом и генераторным газом — это метановое число, которое указывает на склонность топлива к детонации.На рис. 1 показаны измерения метанового числа различных газообразных топлив, выполненные в CSU EECL [1]. Обратите внимание, что генераторный газ (древесный газ на графике) имеет метановое число от 60 до 70, тогда как дигазовый газ имеет метановое число почти 140. Следовательно, дигазовый газ гораздо менее подвержен детонации, чем генераторный газ, и может работать с более высокими степенями сжатия. и более высокие плотности мощности. Дигаз также более устойчив к ударам, чем природный газ.
| Рисунок 2 Guascor SFGLD-240, мощностью 330 кВтэ при 1200 об / мин на дигазовом топливе 500-600 британских тепловых единиц / кубический фут. |
Существует три различных типа стационарных двигателей, которые могут использоваться для выработки электроэнергии из дигаза: (1) двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные), (2) стехиометрические двигатели с искровым зажиганием и (3) бедные двигатели с искровым зажиганием. сжечь двигатели. Дизельные двигатели (1) используются для фумигации всасываемого воздуха с помощью дигаза. Количество используемого дизельного топлива уменьшается по мере добавления дигаза, что приводит к работе на двух видах топлива. Ограничения по объему дизельного двигателя и необходимость хранения двух разных видов топлива являются недостатками этого подхода.Стехиометрические двигатели с искровым зажиганием имеют рабочие характеристики, аналогичные большинству автомобильных двигателей в Соединенных Штатах. Они используют NSCR или трехкомпонентные катализаторы для снижения выбросов, что требует точного управления соотношением воздух / топливо. Двигатели, работающие на обедненном природном газе, более эффективны, чем стехиометрические двигатели, и могут обеспечивать низкий уровень выбросов без дополнительной обработки выхлопных газов. Таким образом, вариант (3) является наиболее желательным; это подход, обычно применяемый для использования дигаза в большинстве крупных установок.На рисунке 2 показана установка Guascor SFGLD-240 от Martin Machinery.
Двигатели, работающие на обедненном природном газе, могут использоваться без модификации в дигазовых установках. Однако в этом случае мощность двигателей обычно снижается, требуется дополнительное обслуживание и сокращается срок их службы. Некоторые производители двигателей предлагают двигатели, специально разработанные для дигаза, что имеет ряд преимуществ. Digas обладает уникальными свойствами, которые требуют изменения конструкции двигателей, работающих на природном газе, для достижения номинальной мощности и минимизации затрат на техническое обслуживание.Для поддержания номинальной мощности необходимо увеличить пропускную способность топливной системы, поскольку содержание энергии в дигазе составляет примерно 60% от содержания энергии в природном газе. Это связано с высокой концентрацией разбавителя CO 2 [2]. Другие операционные изменения, которые часто вносятся, — это продление сроков из-за более медленного сгорания и более высокого коэффициента эквивалентности [3]. Для поддержания того же уровня NOx эквивалентное отношение более богато, поскольку разбавитель в топливе снижает температуру сгорания. Хотя это обычно не делается, поршни с более высокой степенью сжатия могут быть добавлены, чтобы воспользоваться преимуществом более высокого метанового числа дигаза, что приводит к повышению эффективности.Коррозионно-стойкие материалы и улучшенная вентиляция картера — это конструктивные изменения, часто вносимые для борьбы с воздействием коррозионных загрязнителей в топливе.
Дигаз может содержать следовые количества других газов, кроме CH 4 и CO 2 , таких как водород, окись углерода, азот, кислород, аммиак (NH 3 ) и H 2 S. Дигаз H 2 S Типичные уровни в варочных котлах для свиней и крупного рогатого скота составляют ~ 2000-5000 частей на миллион. Эти уровни превышают ограничения производителя двигателя H 2 S (250-1000 ppm) [4].H 2 S должно быть ниже предела производителя соответствующего двигателя, чтобы гарантия на двигатель действовала. Когда соединения серы соединяются с водой, в моторном масле образуются кислоты. Эти кислоты разрушают металлы в двигателе, вызывая коррозионный износ. Скрубберы могут использоваться для снижения содержания H 2 S в топливе ниже пределов производителя. Две коммерчески доступные скрубберные технологии H 2 S — это оксиды железа и биокапельная струйка. H 2 S реагирует с оксидом железа с образованием нерастворимых сульфидов железа.Материал можно регенерировать воздухом для получения чистой серы. Сульфиды железа и / или чистую серу необходимо утилизировать [5]. Биокапельная система включает фильтрующую среду, которая создает среду для образования бактериальной биопленки. H 2 S вступает в контакт с биопленкой, растворяется и впоследствии окисляется микробами. Серные и сульфатные соединения образуются как побочные продукты и очищаются оборотной водой. Побочные продукты собираются и утилизируются. Био-капельная система требует большего опыта для настройки, но требует меньшего обслуживания в долгосрочной перспективе [6].
[1] Маленшек М., Олсен Д. Б., «Тестирование метанового числа альтернативных газообразных видов топлива», Топливо, Том 88, стр. 650-656, 2009 г.
[2] Джон С.Й. Ли, Питер Лау и Томас Тео, «Устойчивое применение поршневых газовых двигателей, работающих на альтернативных видах топлива»,
Публикация Caterpillar Inc., октябрь 2008 г.
[3] Рейнболд, Э. и фон дер Эхе, Джеймс, «Разработка двигателя Dresser Waukesha 16V150LTD для биогазового топлива», Весенняя техническая конференция подразделения двигателей внутреннего сгорания ASME 2009, ICES2009-76079, 3-6 мая 2009 г. .
[4] Guascor Power, «Технические характеристики топлива для газа анаэробного сбраживания — газ для свалок и метантенков», Информация о продукте IC-G-D-30-003e, сентябрь 2011 г.
[5] Стивен МакКинси Зикари, «Удаление сероводорода из биогаза с использованием компоста из коровьего навоза», дипломная работа, Корнельский университет, 2003.
[6] Личные сообщения, 1-10-2013, Маркус Мартин, Martin Machinery LLC.
Авторы
Дэниел Олсен, Государственный университет Колорадо [email protected]
Авторы несут полную ответственность за содержание этих публикаций. Техническая информация не обязательно отражает официальную позицию спонсирующих агентств или организаций, представленных членами комитета по планированию, и включение в нее и ее распространение не означает одобрения взглядов, выраженных ими. Печатные материалы, включенные в данный документ, не являются рецензируемыми публикациями. Цитаты должны выглядеть следующим образом. ПРИМЕР: Авторы. 2013.Название презентации. Расточительство стоит: распространение науки и решений. Денвер, Колорадо, 1–5 апреля 2013 г. URL-адрес этой страницы. Дата обращения: сегодня.
SBEAP Двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием и возвратно-поступательным движением
Разрешение к правилу
Подразделение по контролю за загрязнением воздуха ввело в действие правила выдачи разрешений на стационарные аварийные двигатели внутреннего сгорания. Чтобы узнать больше о Permit-by-Rule, перейдите на веб-страницу SBEAP Permit-by-Rule .
Согласно Permit-by-Rule, письменное разрешение не выдается. Чтобы помочь владельцам и операторам стационарных аварийных двигателей понять требования к соблюдению правил, было разработано Руководство по соответствию . Стационарные аварийные двигатели, изготовленные до 12 июня 2006 г. и находящиеся на коммерческих, институциональных или жилых объектах, могут быть освобождены от налога. Руководство по соответствию содержит информацию, которая помогает объяснить, что подразумевается под коммерческим, институциональным или жилым объектом.Для дальнейшего пояснения приводится список того, считается ли категория бизнеса коммерческой, институциональной или жилой, на основании кода Североамериканской отраслевой классификации (NAICS) или названия NAICS.
Ресурсы для аварийного двигателя
Даже при наличии разрешения по правилу существуют определенные записи, которые аварийные двигатели должны вести. Эти записи демонстрируют использование аварийного двигателя и то, что он работает в соответствии с правилами.В основном это означает, что вы будете работать только определенное количество часов в год для тестирования и обслуживания. При использовании в аварийной ситуации ограничения по часам работы отсутствуют. Подразделение по контролю за загрязнением воздуха разработало шаблоны журналов, которые можно использовать для отслеживания часов работы аварийных двигателей. Также приведены примеры использования шаблонов. Эти записи должны храниться и быть доступными для инспекторов по запросу.
Шаблон дневного и ежемесячного журнала наработки двигателя — Пример использования журнала
Шаблон журнала годового наработки двигателя — Пример использования журнала
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (RICE)
С июня 2008 года и даже совсем недавно, в марте 2011 года, Агентство по охране окружающей среды (EPA) разработало и опубликовало правила, регулирующие ограничения выбросов и эксплуатационные ограничения поршневых двигателей внутреннего сгорания (RICE).Правила EPA обеспечивают нормативное покрытие RICE с искровым зажиганием (SI) и воспламенением от сжатия (CI), независимо от того, является ли двигатель новым или существующим, и находится ли двигатель в основном или второстепенном источнике. Обычно основные источники подпадают под стандарты MACT, а мелкие или второстепенные источники подпадают под действие правил Area Source. Поскольку существует широкий спектр типов, размеров и сервисов модулей SI и CI, в этом случае правила RICE содержат покрытие для основных и второстепенных (малых) источников. SBEAP сосредоточит свое обсуждение на второстепенных (a.к.а. — площадь) источники. Незначительный или территориальный источник выбросов опасных загрязнителей воздуха (HAP) — это стационарный источник, который не выделяет и не имеет возможности выделять 10 тонн в год или более любого отдельного HAP или 25 тонн в год или более любой комбинации HAP, в то время как основные источники обладают таким потенциалом. Как владелец или оператор, вы можете изначально определить применимость правила RICE, просмотрев прилагаемую блок-схему применимости. Кроме того, предоставляется таблица требований, которая поможет вам обобщить, что необходимо, если вы определите, что одно из правил RICE применимо к работе вашего предприятия.Наконец, ниже приводится краткое обсуждение по дате и названию каждого выпуска правила RICE и его предполагаемой направленности.
Применимость
Просмотрите прилагаемую схему применимости , чтобы определить, может ли ваш RICE (SI или CI) быть затронутым одним из правил RICE Агентства по охране окружающей среды.
Существующее искровое зажигание (SI) RICE
Внимание: 20 августа 2010 года Агентство по охране окружающей среды (EPA) опубликовало в Федеральном реестре окончательное правило, касающееся национальных стандартов выбросов опасных загрязнителей воздуха (NESHAPs) для существующих поршневых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием (SI) (RICE). ), расположенные у зональных источников (и основных источников) опасных загрязнителей воздуха (HAP).Хотя правило применяется ко всем существующим SI RICE с любым рейтингом в области источников, оно также распространяется на существующие RICE с искровым зажиганием (SI) RICE с рейтингом 500 HP (или меньше), расположенные в основных источниках. Правило EPA для существующего RICE с искровым зажиганием (SI) вступило в силу 19 октября 2010 года. Двигатели RICE, которые работают с мощностью торможения 500 или менее в локальных источниках выбросов HAP или используются для аварийного питания, должны соответствовать требованиям к 3 мая. , 2013. Владельцы и операторы должны пройти испытания и сертификацию определенных двигателей.Чтобы просмотреть это правило для получения дополнительных сведений, см. Правило RICE для существующих источников SI, опубликованное на веб-сайте EPA.
Существующее зажигание от сжатия (CI) RICE
Внимание: 3 марта 2010 г. EPA опубликовало окончательное правило, касающееся NESHAP (ов) для существующих стационарных двигателей с воспламенением от сжатия (CI) RICE с номинальной мощностью 500 л.с. (или меньше) и неаварийным CI RICE более 500 HP в основных источниках и CI RICE любого рейтинга сайта, расположенного в области источников. Чтобы просмотреть это правило для получения дополнительных сведений, см. Правило RICE для существующих источников CI, опубликованное на веб-сайте EPA.
Правило конечного источника области для новых двигателей SI и CI RICE
Уведомление для производителей и владельцев новых и реконструированных двигателей SI и CI RICE, находящихся у местных источников
18 января 2008 г. EPA ввело в действие объединенное окончательное правило, касающееся стандартов производительности новых источников (NSPS) для новых стационарных двигателей с искровым зажиганием (SI) и национальных стандартов выбросов опасных веществ (NESHAPs) для новых поршневых двигателей с воспламенением от сжатия (CI). Двигатели внутреннего сгорания (RICE), расположенные у источников опасных загрязнителей воздуха (HAP).Двигатели RICE, которые работают с мощностью торможения 500 или менее на территории источников выбросов HAP или используются для аварийного питания, имеют дату соответствия 1 июля 2008 г. или при запуске. Владельцы и операторы должны пройти испытания и сертификацию определенных двигателей. Для получения дополнительных сведений см. Правило SI / RICE, опубликованное на веб-сайте EPA.
Первоначальное уведомление
Затронутые источники должны предоставить первоначальное уведомление, в котором указаны их объект и местонахождение, а также часть правила, которая влияет на их работу.Для ознакомления и использования (при необходимости) предлагается образец Initial Notice .
Вспомогательные инструменты
Кроме того, для просмотра дополнительных инструментов помощи, внедрения и соблюдения требований вы можете посетить веб-сайт EPA по адресу https://www.epa.gov/stationary-engines. Существует раздел «Инструменты, которые помогут вам соответствовать требованиям», который упрощает определение требований для конкретных механизмов и включает нормативный инструмент навигации для правила Subpart ZZZZ (инструмент Reg Nav использует Adobe Flash. Некоторые браузеры могут больше не поддерживать Adobe Flash).Прилагается сводная таблица требований раздела ZZZZ.
Новые стандарты производительности для стационарных двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием и Национальные стандарты выбросов опасных веществ (NESHAP) для поршневых двигателей внутреннего сгорания (RICE).