Niesamowity silnik obkurczający

Poniższy artykuł pojawia się w numerze z marca/kwietnia 2007 r Przegląd technologii.

W Sloan Automotive Laboratory MIT Daniel Cohn (na zdjęciu powyżej) stoi za silnikiem wyposażonym w przyrządy testowe (w kolorze żółtym) i układ wtryskowy, który wtryskuje paliwo bezpośrednio do komór spalania silnika.

Dla Daniela Cohna, starszego naukowca w Plasma Science and Fusion Center MIT, stuletni silnik spalinowy nadal jest źródłem inspiracji. Gdy przechodzi obok maszyn i urządzeń testowych w MIT Sloan Automotive Laboratory, jego zwykle powściągliwa postawa zanika. Silnik tej wielkości, mówi, wskazując na zwyczajnie wyglądający silnik benzynowy średniej wielkości o pojemności 2,4 litra, byłby rakietą z naszą technologią.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2007 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wyjaśniając tę ​​technologię, pokazuje turbosprężarkę, którą można przykręcić do silnika o pojemności 2,4 litra; Dodaje, że silnik wykorzystuje bezpośredni wtrysk paliwa, a nie wtrysk boczny, który jest obecnie stosowany w większości samochodów. Zarówno turbodoładowanie, jak i bezpośredni wtrysk są technologiami istniejącymi wcześniej i żadna z nich nie wygląda szczególnie imponująco. W rzeczywistości, stosowane oddzielnie, prowadziłyby do jedynie marginalnej poprawy osiągów silnika spalinowego. Ale łącząc je i wzbogacając o nowatorski sposób wykorzystania niewielkiej ilości etanolu, Cohn i jego koledzy stworzyli projekt, który ich zdaniem może potroić moc silnika testowego, co może pozwolić producentom samochodów na konwersję małych silników przeznaczony do samochodów ekonomicznych z mocnymi silnikami o mocy wystarczającej do SUV-ów lub samochodów sportowych. Wydobywając lepsze osiągi z mniejszych, bardziej wydajnych silników, technologia ta może doprowadzić do powstania pojazdów, których zużycie paliwa dorównuje hybrydom, które wykorzystują zarówno silnik elektryczny, jak i silnik benzynowy. A oszczędność paliwa może kosztować ułamek kosztów.

Cohn mówi, że jego koledzy – Leslie Bromberg, główny naukowiec w Plasma Science and Fusion Center oraz John Heywood, profesor inżynierii mechanicznej i dyrektor Sloan Auto Lab – rozważali wiele sposobów na zwiększenie wydajności silników spalinowych. A potem, po wielu dyskusjach, pewnego dnia to do nas dotarło, wspomina Cohn. Jak wyjaśnia, kluczem do systemu badaczy z MIT było przezwyciężenie problemu zwanego stukiem, który znacznie ogranicza wysiłki na rzecz zwiększenia momentu obrotowego i mocy silnika.

Multimedia

• Zobacz demo nowego projektu silnika zbudowanego przez Daniela Cohna.

W silnikach gazowych tłok przesuwa się do cylindra, sprężając mieszankę powietrza i paliwa, która jest następnie zapalana przez iskrę. Wybuch ponownie wypycha tłok. Jednym ze sposobów na uzyskanie większej mocy z silnika jest zaprojektowanie, aby tłok poruszał się dalej z każdym skokiem. Im dalej się przemieszcza, tym bardziej spręża mieszankę powietrzno-paliwową i tym więcej energii mechanicznej pozyskuje z eksplozji podczas wycofywania się. Ogólnie rzecz biorąc, wyższa kompresja prowadzi do wydajniejszego silnika i większej mocy na skok. Jednak zbyt duże zwiększenie ciśnienia powoduje, że paliwo nagrzewa się i eksploduje niezależnie od iskry, co prowadzi do nieodpowiedniego zapłonu. To pukanie i może uszkodzić silnik.

Aby uniknąć stukania, projektanci silników muszą ograniczyć stopień sprężania przez tłok paliwa i powietrza w cylindrze. Muszą również ograniczyć stosowanie turbodoładowania, w którym turbina napędzana spalinami spręża powietrze przed wejściem do komory spalania, zwiększając ilość tlenu w komorze, dzięki czemu można spalić więcej paliwa na suw. Włączenie turbosprężarki w samochodzie zapewni dodatkowe przyspieszenie, gdy samochód przyspiesza lub wspina się pod górę. Ale zbyt duże turbodoładowanie, jak zbyt duża kompresja, prowadzi do stukania.

Alternatywnym sposobem zapobiegania stukaniu jest użycie paliwa innego niż benzyna; chociaż benzyna pakuje dużą ilość energii w małą objętość, inne paliwa, takie jak etanol, są znacznie lepiej odporne na uderzenia. Ale pojazd używający etanolu pokonuje mniej mil na galon niż pojazd używający benzyny, ponieważ jego paliwo ma niższą gęstość energii. Cohn i jego koledzy twierdzą, że znaleźli sposób na wykorzystanie obu paliw, który wykorzystuje mocne strony każdego z nich, jednocześnie unikając jego słabości.

Naukowcy z MIT skupili się na kluczowej właściwości etanolu: gdy odparowuje, ma wyraźny efekt chłodzący, podobnie jak alkohol, który paruje ze skóry. Zwiększone turbodoładowanie i kompresja w cylindrze podnoszą temperaturę w cylindrze, przez co prowadzą do stukania. Ale Cohn i jego koledzy odkryli, że jeśli etanol zostanie wprowadzony do komory spalania we właściwym momencie dzięki stosunkowo nowej technologii bezpośredniego wtrysku, to utrzymuje niską temperaturę, zapobiegając samozapłonowi. Podobne podejścia, z których niektóre wykorzystywały wodę do chłodzenia cylindra, były już wcześniej wypróbowywane. Ale połączenie bezpośredniego wtrysku i etanolu, mówi Cohn, przyniosło znacznie bardziej dramatyczne wyniki.

Naukowcy opracowali system, w którym benzyna byłaby wtryskiwana do komory spalania konwencjonalnymi środkami. Etanol byłby przechowywany we własnym zbiorniku lub komorze i wprowadzany przez oddzielny system bezpośredniego wtrysku. Etanol musiałby być uzupełniany tylko raz na kilka miesięcy, mniej więcej tak często, jak zmienia się olej. Pojazd, w którym zastosowano to podejście, działałby o około 25 procent wydajniej niż pojazd z konwencjonalnym silnikiem.

Turbosprężarka i system bezpośredniego wtrysku zwiększyłyby koszt silnika, podobnie jak wzmocnienie jego ścianek, aby umożliwić wyższy poziom turbodoładowania. Dodatkowe koszty wyposażenia zostałyby jednak częściowo zrekompensowane przez zmniejszony koszt produkcji mniejszego silnika. W sumie silnik wyposażony w nową technologię kosztowałby około 1000 do 1500 dolarów więcej niż silnik konwencjonalny. Systemy hybrydowe, które są drogie, ponieważ wymagają zarówno silnika spalinowego wewnętrznego spalania, jak i silnika elektrycznego zasilanego bateriami, dodają od 3000 do 5000 dolarów do kosztu małego i średniego pojazdu – a nawet więcej do kosztu większego pojazdu.

Kiedy grupa MIT po raz pierwszy wpadła na swój pomysł, Bromberg stworzył szczegółowy model komputerowy, aby oszacować wpływ stosowania etanolu w celu umożliwienia większego turbodoładowania i kompresji cylindrów. Model pokazał, że technika ta może znacznie zwiększyć moment obrotowy i moc silnika bezstukowego. Kolejne testy przeprowadzone przez Forda wykazały wyniki zgodne z przewidywaniami modelu komputerowego MIT. A ponieważ nowy system wymagałby stosunkowo niewielkich modyfikacji istniejących technologii, wkrótce mógłby być gotowy. Ethanol Boosting Systems, firma, którą naukowcy założyli w Cambridge, MA, pracuje nad komercjalizacją tej technologii. Cohn mówi, że dzięki agresywnemu programowi rozwojowemu projekt może znaleźć się w pojazdach produkcyjnych już w 2011 roku.

Podczas gdy Cohn pochwala korzyści płynące z hybryd i twierdzi, że jego technologia może być również wykorzystana do ich ulepszenia, zauważa, że ​​popularność technologii hybrydowej jest nadal ograniczona ze względu na jej koszt. Sugeruje, że tańsza technologia zostanie przyjęta szybciej, a tym samym szybciej zmniejszy zużycie benzyny. Mówi, że dużo bardziej przydatne jest posiadanie silnika, który kupi wiele osób.

ukryć