دانلود رایگان مقاله توسعه یک موتور احتراقی دوار SI/CI کوچک

            همانطور که از نام آن مشخص است، HEHC تلاش می کند تا بهترین ویژگی های چند چرخه ترمودینامیکی شامل دیزل ، اتو  و اتکینسون  را با هم ترکیب (هیبریداسیون) کند تا موتور با بازده بالا ایجاد کند. در بهترین شکل، HEHC ویژگی های زیر را با هم ترکیب می کند:

• نسبت تراکم  بالای هوا (مانند چرخه دیزل)
• احتراق حجم ثابت (ایزوکوریک ) (مانند چرخه اتو) احتراق طولانی مدتی در حجم نزدیک TDC (نقطه مرگ بالا)انجام می دهد.
• انبساط بیش از حد تا فشار اتمسفر (مانند چرخه اتکینسون). 

           چرخه HEHC توسط مایع پیستون توسعه داده شده است و در [7، 8، 9]ثبت شده است. ساختار X که بعدها با جزئیات آن شرح داده شده، برای انجام این چرخه طراحی شده است، و همچنین در [19، 20] ثبت شده است. در نسخه احتراق تراکمی (CI) چرخه HEHC ، هوای تازه (بدون سوخت) تا یک CR بالایی در محفظه احتراق متراکم شده است. سوخت درست قبل از نقطه مرگ بالا به درون محفظه احتراق تزریق شده است و CI (احتراق تراکمی) اتفاق می افتد. حداکثر احتراق تحت شرایط نسبتا حجم ثابت اتفاق می افتد، این حالت با قرار گرفتن طولانی مدت حجم محفظه احتراق در نزدیکی TDC بدست می آید. سپس گاز حاصل از احتراق تا حجم بیشتری نسبت به حجم مکش اولیه منبسط می شود. شکل 1 نشان می دهد که یک منطقه بسیار بزرگتری را، در مقایسه با چرخه های اتو و دیزل، توسط منحنی های ترمودینامیکی پوشش داده شده است، بنابراین نشان دهنده بازده بیشتری است. 

               چرخه HEHC همچنین می تواند با SI عمل کند، اگر چه با بازده کمتر. در این حالت مخلوط سوخت و هوا تا یک نسبت تراکم پایین تری، مشابه سیکل استاندارد موتور اتو متراکم شده است. کاهش در CR موجب کاهش در بازده در مقایسه با CI می شود، اما قرار گرفتن حجم احتراق در نزدیکی TDC باعث فشار حداکثر و بازده بالاتری نسبت به موتور های پیستونی که به صورت SI عمل می کنند، می شود. این موضوع به تغییرات آهسته تر جابه جایی در نزدیکی TDC نسبت به موتورهای پیستونی مرتبط است. انبساط بیش از حد مانند چرخه اتکینسون موجب افزایش بازده می شود. قرار گرفتن حجم در TCD به موتور این اجازه را می دهد که احتراق حجم ثابت (ایزوکوریک اضافی) واقعی تری، در مقایسه با انجام پیستون با چرخه اتو بدست بیاید.

              چرخه HEHC با تکنیک های تقویت سازگار است، در درجه اول با اضافه کردن یک سوپرشارژر اثر آن در افزایش فشار دیاگرام PV خواهد بود. اگر انبساط بیش از حد تا نزدیکی فشار اتمسفر بدست آمده باشد، یک توربو شارژر نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد، اما یک سوپرشارژر هنوز هم کار خواهد کرد. در این مقاله ما در مورد حالت بدون سوپرشارژر تمرکز خواهیم کرد.

             مدل ترمودینامیکی استاندارد HEHC گاز ایده آل با هدف مقایسه با چرخه های استاندارد اتو گاز ایده آل (حرارت اضافی حجم ثابت) و دیزل (حرارت اضافی فشار ثابت) ارائه شده است. شکل 1 مقایسه کیفی دیاگرام حجم ثابت (P-V) برای هر چرخه را نشان می دهد. تحلیل چرخه های اتو و دیزل استاندارد گاز ایده آل برای اهداف تئوری مفید است تا روند بازده را توضیح دهند، و یک بحث مشترک در بسیاری از کتاب های درسی موتور احتراق داخلی است. این چرخه های استاندارد گاز ایده آل فرض های زیر را در نظر می گیرند:

• سیال کاری گاز ایده ال با گرمای ویژه ثابت است. 
• احتراق به صورت انتقال گرما به محیط از منبع خارجی در حجم ثابت (HEHC و اتو) یا فشار ثابت (دیزل) مدل شده است.
• هر دو فرآیند های تراکم و انبساط به صورت آدیاباتیک و برگشت پذیر هستند.
• چرخه با انتقال حرارت به محیط کامل می شود.

 
               بازده های حرارتی هر چرخه گاز ایده آل با جزئیات قبلا در مقاله های [10، 11، 12، 13 و 14] و همچنین در کتاب [15] توضیح داده شده اند و در اینجا توضیح داده نخواهند شد. بازده های حرارتی هر چرخه به صورت زیر می تواند نوشته شود:

               برای یک مقایسه کمی چرخه ها مقادیر زیر انتخاب شده اند: CR برای چرخه اتو 9.5، برای HEHC 18.5 و برای چرخه دیزل 18.5 است. نسبت حرارت مخصوص گاز 1.4 فرض شده است. فشار مکش   و دما   به ترتیب kPa 101 و k 300 فرض شده اند. انرژی ورودی در حین فرایند احتراق برای همه چرخه ها   1816 فرض شده است. جدول 1 مقایسه کمی چرخه ها را نشان می دهد. با توجه به این تحلیل بازده ترمودینامیکی ایده آل HEHC 38 درصد بیشتر از دیزل ، و 35 درصد بیشتر از چرخه اتو است. 

               بازده واقعی برای هر چرخه کمتر از چرخه استاندارد گاز ایده آل آن است. انحرافات از چرخه ایده آل شامل نشتی (توسط ضربه)، انتقال حرارت، اصطکاک، اتلافات مکانیکی دیگر، تلفات پمپاژ، و حرارت مخصوص و خواص گاز می-شوند که تابعی از فشار، دما و محتویات سیلندر (مخلوط هوا-سوخت) هستند.

            یک مدل ترمودینامیکی صفر بعدی از HEHC و ساختار X با استفاده از معادلات چرخه سوخت- هوا با اقتباس از [15] ساخته شده است. مدل صفر بعدی بیشتر شامل استفاده از زیر مدل هایی می شود که محفظه های کاری و دریچه ها، خواص ترمودینامیکی گاز های سوخته و نسوخته، جرم و انرژی منتقل شده از میان مرز های سیستم و فرآیند احتراق را توصیف می کند. انتقال حرارت با استفاده از رایطه Woschni مدل شده است و انتقال جرم، شامل نشتی، با استفاده از معادلات جریان تراکم پذیر یک بعدی برای جریان از میان یک ارفیس  مدل شده است. احتراق (اضافه شدن حرارت) از طریق توابع Wiebe اعمال می شود. توصیف کاملی از مدل در خارج از محدوده این مقاله است، اما نتایج تحلیل صفر بعدی نشان می دهد که بازده بالا (60 درصد خاص نشان داده شده) با فرضیات معقول برای CR، نشتی، انتقال حرارت و ضرایب جریان انتخاب شده از منابع امکان پذیر است. یک اثر فشار برای مثال و نمودار P-V شبیه سازی در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. در قسمت نتایج، فشار شبیه سازی شده در مقابل فشار اندازه گیری شده واقعی نشان داده ایم.

ساختار و عملکرد موتور

            شکل 4 نمای داخلی از موتور نمونه X1 (L CI 1.35 / دیزل) را نشان می دهد. یک ویدئو از موتور X مطابق با چرخه HEHC موجود است که به وضوح عملکرد موتور و چرخه را نشان می دهد. یک موتور تک روتور، شامل یک روتور، محفظه، شفت خارج از مرکز، وزنه متعادل کننده متقابل، صفحات جانبی مکش/تخلیه و/یا پوشش ها می شود. همانطور که در شکل نشان داده شده است دارای یک طرح ساده فقط با دو قسمت دوار است. ساختار X1 (70 hp) در حالت CI عمل می کند. کوچکترین موتور از گروه،  ، که بر روی چرخه HEHC اصلاح شده برای عملیات SI عمل می کند، یک نسخه کوچکتر از X1 است. توصیف اصول عملیاتی و اجزای این موتور تقریبا مشابه است.

Abstract

              This paper describes the development of small rotary internal combustion engines developed to operate on the High Efficiency Hybrid Cycle (HEHC). The cycle, which combines high compression ratio (CR), constant-volume (isochoric) combustion, and overexpansion, has a theoretical efficiency of 75% using air-standard assumptions and first-law analysis. This innovative rotary engine architecture shows a potential indicated efficiency of 60% and brake efficiency of >50%. As this engine does not have poppet valves and the gas is fully expanded before the exhaust stroke starts, the engine has potential to be quiet. Similar to the Wankel rotary engine, the ‘X’ engine has only two primary moving parts - a shaft and rotor, resulting in compact size and offering low-vibration operation. Unlike the Wankel, however, the X engine is uniquely configured to adopt the HEHC cycle and its associated efficiency and low-noise benefits. The result is an engine which is compact, lightweight, low-vibration, quiet, and fuel-efficient.

             Two prototype engines are discussed. The first engine is the larger X1 engine (70hp), which operates on the HEHC with compression-ignition (CI) of diesel fuel. A second engine, the XMv3, is a scaled down X engine (70cc / 3HP) which operates with spark-ignition (SI) of gasoline fuel. Scaling down the engine presented unique challenges, but many of the important features of the X engine and HEHC cycle were captured. Preliminary experimental results including firing analysis are presented for both engines. Further tuning and optimization is currently underway to fully exploit the advantages of HEHC with the X architecture engines.

Introduction

            The internal combustion engine enjoys widespread use as an inexpensive and reliable power conversion system. While piston engines date back 150 years, various alternative engine architectures and cycles have been considered. Today's small piston engines can be inexpensive, and have suitable reliability to serve a variety of applications including mobile propulsive power for scooters, motorcycles, all-terrain vehicles (ATVs), boats, and small aircraft including unmanned aircraft vehicles (UAVs). Small engines are also used for mobile power generation, including electric or auxiliary power, and to directly provide mechanical power for lawn and garden equipment. While piston engines enjoy prolific use, their efficiency is remarkably low. Literature indicates peak engine efficiencies of 15-18% for 30cc 1hp 4-stroke, and average part-load efficiency significantly lower [1].

            The rotary engine has some advantages that make it a formidable contender for some of the markets currently served by reciprocating engines. The piston in a 4-stroke reciprocating engine momentarily comes to rest four times per cycle as its direction of motion changes. In contrast, the moving parts in a rotary engine are in continuous unidirectional rotational motion. High power density, smooth operation, simple design, low vibration, compact size, and lightweight architecture are a few of the benefits [2]. However, the rotary type engine has some drawbacks. A major problem of the Wankel rotary engine is that it does not measure up to the fuel economy of reciprocating engines in part due to the long combustion chamber shape and low compression ratio (CR). The gas sealing of the rotary engine, such as apex seals and side seals, are less efficient and durable due to poor lubrication compared to piston rings. However, these drawbacks have been steadily improved for gasoline spark-ignited (SI) rotary engines [3, 4, 5, and 6]. Recently, the rotary engine has become more attractive to applications where the typical merits of rotary engines are becoming more important (such as size, efficiency, and power density).

             The LiquidPiston X Engine architecture is a rotary engine embodiment similar in some aspects to the Wankel-type engine, however, several differences lead to advantages. Merits of the X engine are described, and a comparison to the Wankel engine is provided in this paper. A primary motivation for development of the new engine architecture is the ability to embody an optimized 4-stroke cycle, dubbed the High Efficiency Hybrid Cycle (HEHC), which can change the operation of internal combustion engines fundamentally [7, 8, and 9].

               The combination of this cycle's features is expected to achieve higher thermodynamic efficiency - analytical modeling studies have previously indicated that the HEHC is able to reach 50%+ brake efficiency (75% ideal cycle efficiency) with CR of 18 [10, 11, and 12].

              The company has been working on new engine architectures, with a focus on rotary engines, in order to realize the HEHC cycle. The X engine platform has been developed after several years of research and development efforts. The X engine is simple, and has no reciprocating parts - features common to the conventional rotary engines. However, in contrast, the X engine has a higher CR, and a stationary conical/spherical combustion chamber suitable for direct injection (DI) and CI. As with the Atkinson or Miller cycles, the X engine takes advantage of over-expansion. This is done simply by changing the locations of intake and exhaust ports asymmetrically which allows for the extraction of more energy during the expansion stroke. Further, a power stroke of the X engine occurs 3 times per rotor revolution resulting in a high power density [12]. LiquidPiston has developed initial prototypes to demonstrate the principles of the engine, including the X1, 1370 cc (70HP) and the XMv3, 70cc (3HP).

             The paper is organized as follows: 1) the HEHC cycle is reviewed, and efficiency of the cycle is discussed. While the real engine is still at relatively early stages of development, the cycle serves as a primary motivation for the development of the engine. 2) the ‘X’ engine architecture, including its structure and operation, is described; 3) a brief discussion of Cooling strategy, and then 4) Sealing strategy are described, as these are necessary for enabling successful operation as an engine; 5) differences between the X rotary engine and the traditional Wankel rotary engine are highlighted. 6) a summary of potential benefits of the cycle and engine is presented; 7) experimental methods and 8) results describing initial experiments with the X1 (70 HP 1.3L CI engine) and XMv3 (3 HP 70cc SI engine) are presented, and 9) we conclude discussion.

ساختار و عملکرد موتور
عملکرد
مکش
تخلیه
تراکم
احتراق
انبساط
آب بندی
سرمایش
تفاوت ها با موتور وانکل
بازده
اندازه و وزن
لرزش کم
قابلیت چند سوختی
سر و صدا
هزینه و دوام
اثر حرارتی
منابع

Engine Structure and Operation
Operation
Intake
Exhaust
Compression
Combustion
Expansion
Sealing
Cooling
Differences from Wankel
Efficiency
Size and Weight
Low Vibration
Multi-Fuel Capability
Noise
Cost and Durability
Thermal Signature
References