يعتمد محتوى هذه المقالة على تقرير التقييم التقني الذي أنجزته شركة Roush Industries نيابة عن CAELP في عام 2021. وتصدره بشكل منهجي الطرق الفنية لمحركات البنزين الفعالة في عام 2025 وما بعده ، مما يكشف عن التقنيات الرئيسية لتحسين الكفاءة الحرارية وخفض الانبعاثات. تم تنفيذ العديد من هذه الحلول التقنية في السوق الحالية.
1. تقنية تخفيف الغاز المختلطة
تزداد قيمة نسبة الحرارة المحددة من خلال تخفيف EGR أو الهواء ، وبالتالي زيادة مقدار العمل الذي تم نقله بواسطة المكبس أثناء السكتة الدماغية التوسع. يوضح الشكل التالي تأثير نسبة الضغط (CR) والقيمة 𝛾 على كفاءة تحويل الوقود لدورة الحجم الثابتة. تبلغ قيمة 𝛾 لخليط الهواء حوالي 1.4 ، في حين أن قيم منتجات الاحتراق (ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء) أقل ، بالقرب من 1.3. تكون قيمة 𝛾 لقيمة الخليط داخل الأسطوانة المخففة بالهواء أعلى مقارنة بالمزيج المخفف عن طريق إعادة تدوير غاز العادم (CEGR). هذا يجعل المحرك مع احتراق هزيل (تخفيف الهواء) أكثر كفاءة في نفس التخفيف المكافئ (أي نسبة الوقود إلى خليط الغاز غير الوقود في الأسطوانة).
1. تقنية تخفيف الغاز المختلطة
تزداد قيمة نسبة الحرارة المحددة من خلال تخفيف EGR أو الهواء ، وبالتالي زيادة مقدار العمل الذي تم نقله بواسطة المكبس أثناء السكتة الدماغية التوسع. يوضح الشكل التالي تأثير نسبة الضغط (CR) والقيمة 𝛾 على كفاءة تحويل الوقود لدورة الحجم الثابتة. تبلغ قيمة 𝛾 لخليط الهواء حوالي 1.4 ، في حين أن قيم منتجات الاحتراق (ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء) أقل ، بالقرب من 1.3. تكون قيمة 𝛾 لقيمة الخليط داخل الأسطوانة المخففة بالهواء أعلى مقارنة بالمزيج المخفف عن طريق إعادة تدوير غاز العادم (CEGR). هذا يجعل المحرك مع احتراق هزيل (تخفيف الهواء) أكثر كفاءة في نفس التخفيف المكافئ (أي نسبة الوقود إلى خليط الغاز غير الوقود في الأسطوانة).
1.1 الإصلاح الخاص غير المحفز في الأسطوانة (D-EGR)
نظام EGR المخصص الذي طوره معهد جنوب غرب البحوث (SWRI). يولد هذا النظام الغاز الإصلاحي بتركيزات عالية من H₂ و CO عن طريق تحويل أسطوانة واحدة إلى وضع احتراق غني بالزيت. يتم إدخال هذه الغازات الإصلاحية في موانئ تناول الأسطوانات الأخرى والاحتراق الكامل في احتراق SI [10]. يشير اختبار العرض التوضيحي SWRI d-reg الذي أجري على محرك PFI سعة 2.4 لتر بشكل طبيعي إلى أن الاقتصاد في استهلاك الوقود قد تحسن بأكثر من 10 ٪ في نطاق تشغيل المحرك.
1.2 إصلاح حلقة إعادة تدوير غاز النفايات الحفاز
تعمل إحدى الأسطوانات بنسبة وقود الهواء النحيف ويعتمد تقنية حقن الوقود الثانوية بعد الاحتراق. يتم علاج غاز العادم من هذه الأسطوانة بواسطة سرير المحفز ويولد غاز الإصلاح الغني بالهيدروجين من خلال التفاعلات الداخلية للحرارة. في اختبار محرك GM Ecotec LNF DI 2.0 لتر ، عندما وصلت سرعة الدوران إلى 2000 دورة في الدقيقة وكانت قيمة التعزيز 4 بار ، تم تحقيق تركيز كمية الهيدروجين البالغة 5 ٪. تم رفع نسبة حجم إعادة تدوير غاز النفايات من أقل من 25 ٪ إلى أكثر من 50 ٪. زادت كفاءة هذا المحرك في نقطة التشغيل بنسبة 8 ٪ مقارنة بالقيمة القياسية.
2. تحسين نسبة التوسع
يعد المحرك ذو نسبة الضغط الهندسية العالية ولكن نسبة الضغط الفعالة أقل من نسبة التوسع الفعالة وسيلة فعالة لتحسين كفاءة المحرك. في المحركات التي تنتجها الكتلة ، عادة ما يتم تحقيق دورات الإفراط في التوسع عن طريق إغلاق صمامات السحب مقدمًا (EIVC) أو تأخير إغلاق صمامات السحب. تؤدي السكتة الدماغية القصيرة إلى انخفاض في كمية الضغط التي يرسمها المحرك في كل دورة ، لذلك هناك حاجة إلى محرك إزاحة أكبر للحفاظ على نفس مستوى عزم الدوران/الطاقة مثل محركات غير أتكينسون/ميلر. بالنسبة للمحركات التي يتم شحنها التوربيني ، يمكن تعويض فقدان السكتة الدماغية عن طريق زيادة ضغط التعزيز. المحركات ذات دورات ميلر ذات الشاحن التوربيني لها نسبة توسيع أعلى ودرجات حرارة العادم المنخفضة ، مما يقلل من الطلب على الاحتراق العجاف.
أحد التحديات التي واجهها عند تبني استراتيجيات EIVC و LIVC هو أن الاضطراب في نهاية السكتة الدماغية سوف يضعف. يوضح الشكل 6 أدناه التغييرات في الطاقة الحركية المضطربة (TKE) داخل الأسطوانة عند اعتماد استراتيجيات EIVC و LIVC مقارنة بالمحرك المرجعي. سيؤدي هذا التخفيض في TKE إلى انخفاض في كفاءة الاحتراق وعدم استقرار الاحتراق. في بعض الحالات ، بالمقارنة مع المحرك القياسي ، قد يؤدي ذلك إلى انخفاض الكفاءة وزيادة الانبعاثات.
يوضح الشكل التالي خطة تحسين التصميم المطلوبة للمحرك من النوع الثالث من النوع الثالث (سعة 2.0 لتر) للحفاظ على مستوى الاضطراب داخل الأسطوانة لمحرك دورة الجيل السابق غير الطويف. يتبنى هذا المحرك تقنية EIVC لتحقيق دورة Miller ، ومن الضروري الحفاظ على الاضطراب داخل الأسطوانة والاحتراق من خلال تحسين تصميم المحرك.
3. نسبة سكتة دماغية تجويف أسطوانة أصغر
يوضح الشكل التالي التغييرات في العوامل الرئيسية الثلاثة التي تحدد نسبة السكتة الدماغية المثلى للمحرك: سرعة المكبس ، ومساحة السطح إلى حجم الحجم ، وانخفاض الضغط على جانبي صمام السحب. يتم تحديد نسبة السكتة الدماغية المثلى من خلال العوامل التالية:
متوسط سرعة المكبس: كلما طالت فترة السكتة الدماغية ، كلما زاد متوسط سرعة المكبس ، مع الحد من سرعة المحرك القصوى. سواء كانت محركات توربينية أو محركات طبيعية ، فإن معظمها في الوقت الحاضر لم تصل إلى الحد الأعلى من متوسط سرعة المكبس التي يمكن أن تحققها التكنولوجيا الحالية (حوالي 25 م/ث).
خصائص انخفاض ضغط صمام السحب: يمكن أن تزيد المحركات ذات التصميم الكبير لنسبة التجويف من حجم الصمام ، وتشكل منطقة مرور تدفق أكبر (أي منطقة التدفق) ، مما يقلل من انخفاض الضغط في كلا طرفي الصمام وتحسين الكفاءة الحجمية. ومع ذلك ، بسرعات عالية ، ستنخفض الكفاءة الحجمية لمحركات نسبة التجويف المنخفضة ، مما يؤدي إلى التوهين المبكر للعزم والطاقة في نطاق سرعة المحرك.
كفاءة نقل الحرارة: ستقلل نسبة الضغط المنخفض (BSR) من مساحة السطح إلى حجم الحجم في غرفة الاحتراق (خاصة بالقرب من المركز العلوي من الاحتراق) ، وبالتالي إضعاف تأثير نقل الحرارة للاحتراق. مع زيادة نسبة الضغط ، تزداد مساحة السطح إلى حجم غرفة الاحتراق ، مما يؤدي إلى زيادة فقدان نقل الحرارة وتعويض بعض المزايا التي يلفها تحسين الكفاءة. هذا التأثير مهم بشكل خاص في محركات دورة Atkinson-Miller مع نسب ضغط هندسية عالية للغاية.
مقاومة التفجير الناتجة عن مسافة انتشار اللهب: ستقصر نسبة قطر الأسطوانة الأصغر على مسافة انتشار اللهب ، مما يقلل من وقت إطلاق الحرارة (زيادة نسبة احتراق الحجم الثابت). سيؤدي تقصير وقت الاحتراق أيضًا إلى تقليل التفجير (وقت الغاز الطرفي للوصول إلى حالة التوضيح الذاتي أقصر). هذا يجعل نسبة الضغط أعلى ممكنة.
الاضطراب في الأسطوانة ومعدل الاحتراق: مع زيادة سرعة المكبس ، تكثف الاضطراب في الأسطوانة. عندما يكون التجويف والسكتة الدماغية منخفضة نسبيًا ، في ظل نفس السرعة الدورانية والظروف الإزاحة ، تكون سرعة المكبس الدورانية أعلى بالفعل. يمكن أن يؤدي هذا الاضطراب المعزز إلى تسريع معدل الاحتراق ويقلل من ميل التفجير (حيث أن وقت الغاز الطرفي للوصول إلى حالة التوضيح الذاتي هو أقصر). هذا يمكّن المحرك من اعتماد نسبة ضغط أعلى.
4. تحسين الإدارة الحرارية
يولد محرك SI النموذجي كمية كبيرة من الحرارة أثناء الاحتراق ، يتم نقل حوالي ثلثها إلى جدار الأسطوانة وفقد ثلث آخر إلى المبرد. تشمل التقنيات الرئيسية لتقليل فقدان نقل الحرارة:
زيادة الخليط النحيف المحتجز يمكن أن يقلل من درجة حرارة الاحتراق ، مما يقلل من فقدان نقل الحرارة
المحركات المصممة بنسبة مساحة سطح محددة (BSR) يمكن أن تقلل بشكل فعال من مساحة السطح إلى نسبة الحجم في غرفة الاحتراق ، مما يزيد من فقدان نقل الحرارة
نظام التبريد المقسم - عن طريق إعداد دوائر تبريد مستقلة لكتلة الأسطوانة ورأس الأسطوانة ، يمكن الحفاظ على درجة حرارة العمل المثلى لرأس الأسطوانة وكتلة الأسطوانة. يمكن أن تمنع رؤوس الأسطوانات ذات درجة حرارة منخفضة التشغيل ودعم تشغيل نسبة الضغط العالية. يمكن أن تقلل جدران الأسطوانات ذات درجة الحرارة العالية من فقدان نقل الحرارة وانخفاض الاحتكاك. يمكن أن يؤدي نظام التبريد المقسم أيضًا إلى تسريع تسخين غرفة الاحتراق ، ويعزز استقرار الاحتراق ويقلل من الانبعاثات أثناء البدايات الباردة.
يمكن أن يؤدي طلاء الحاجز الحراري ، من خلال بنية مركبة للطلاء السيراميكي (مثل Zirconia yttria yttria) وطبقات الترابط المعدني ، إلى تقليل درجة حرارة الجدار لغرفة الاحتراق بنسبة 150-300 درجة وتقلل من فقدان حرارة التوصيل من خلال كتلة الأسطوانة والمكبس (تمثل 25-30 ٪ من خسارة الطاقة الكلية).
ملخص
يلخص الشكل التالي تأثير التقنيات المختلفة على كل رابط لتشغيل المحرك. يشير الجزء الأخضر إلى التأثيرات الإيجابية ، في حين أن الجزء الأحمر يمثل تأثيرات سلبية. على سبيل المثال ، يمكن أن تعزز تقنية التبريد EGR السعة الحرارية المحددة للمزيج في الأسطوانة ، وتقليل خسائر نقل الحرارة وبالتالي تحسين كفاءة المحرك. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، سيكون لهذه التكنولوجيا تأثير سلبي على استقرار الاحتراق ومعدل الاحتراق. لذلك ، فإن الجمع بينه مع نظام الإشعال عالي الطاقة وتصميم محرك نسبة التجويف المنخفض سيكون له المزيد من المزايا. لا يتم عرض بعض التفاعلات الضعيفة في الشكل ، مثل تأثير نسبة الضغط (تحت نفس نسبة تجويف الأسطوانة) على معلمات مثل نقل الحرارة.
