Motorteknologi designet for å møte utslippsforskriftene og utover

Motorteknologi designet for å møte utslippsforskriftene og utover Selv om det i disse dager er mye fokus på alternative kraftsystemer som batterier og brenselceller, vil forbrenningsmotorer fortsette å spille en viktig rolle i tunge applikasjoner. Som sådan vil det være nødvendig for produsenter å fortsette å utvikle designene sine for å optimere ytelsen og redusere utslippene. - poolsuppliers

Selv om det i disse dager er mye fokus på alternative kraftsystemer som batterier og brenselceller, vil forbrenningsmotorer fortsette å spille en viktig rolle i tunge applikasjoner. Som sådan vil det være nødvendig for produsenter å fortsette å utvikle designene sine for å optimere ytelsen og redusere utslippene.

“Nesten alle regioner i verden har luftforurensningsbestemmelser på plass eller er i ferd med å utvikle dem,” sier Gregory Pelton, seniorleder – Sales and Application Engineering Construction, Industrial and Agriculture ved MTU America Inc. “Disse stadig strengere utslippsforskriftene krever utplassering av ny eller optimert teknologi.”

MTU, som de fleste motorprodusenter, har utviklet en plattform med doble sertifiserte motorer som oppfyller EUs Stage V og US Tier 4 Final utslippsforskrifter, samtidig som de tilbyr en løsning for mindre regulerte områder. Trinn V er den strengeste reguleringen til dags dato for off-highway utstyrsindustrien. Å utvikle motorer som oppfyller den, så vel som andre regionale forskrifter, letter installasjons- og designkostnadene for OEM-er ved å gi dem fleksibiliteten til å bruke samme motor for ulike utslippsforskrifter.

John Deeres 13,6L-motor har en neste generasjons ECU som bruker avanserte modellbaserte kontroller som forbedrer påliteligheten og transientkontroll.John Deeres 13,6L-motor har en neste generasjons ECU som bruker avanserte modellbaserte kontroller som forbedrer påliteligheten og transientkontroll. John Deere Power Systems Å utvikle disse doble sertifiserte motorene krevde optimalisering av hele motorpakken, sier Pelton. Fortsatt optimalisering av motoren og etterbehandlingssystemet muliggjorde reduksjoner i drivstofforbruket samt lengre serviceintervaller, noe som ga kundene ytterligere fordeler. Denne typen optimaliseringsinnsats vil også være nødvendig når nye regler innføres i bransjen.

Nick Block, direktør, Worldwide Marketing & Sales, John Deere Power Systems (JDPS), sier at det å utnytte selskapets erfaring til å foredle teknologiene det har utviklet gjennom årene hjelper motoroptimalisering. Områder som JDPS fokuserer sin innsats på inkluderer forbedringer i pakkestørrelse, reduksjon av total motorvekt og integrering av nye generasjoner elektroniske kontrollsystemer, som tilbyr større muligheter.

“I fremtiden forventer vi at det vil komme en helt ny generasjon av elektroniske motorkontrollsystemer som vil være mer kapable,” sier Block. “En trend vi vet vil fortsette å utvikle seg i de kommende årene er mindre avhengighet av fysiske sensorer ettersom motorkontrollenheter fortsetter å bli mer avanserte og muliggjør bedre motorkontroll og diagnostikkytelse.”

JDPS brukte en neste generasjons motorkontrollenhet (ECU) i sin 13,6L-motor. Den nye ECUen bruker avanserte modellbaserte kontroller som forbedrer pålitelighet og transient kontroll.

Teknologi forbedrer ytelsen

Effektivitet er et nøkkelområde hvor mange produsenter fokuserer sin designinnsats. For JDPS inkluderer dette å se på måter å forbedre drivstoffeffektiviteten på. For å gjøre det tar den for seg forbrennings- og lufthåndteringseffektivitet, i tillegg til å håndtere friksjonstap ved å utnytte avanserte modelleringsteknikker.

For sin 13,6L-motor brukte JDPS en ren-sheet-tilnærming. Designet av motoren fra grunnen av gjorde selskapet bedre i stand til å adressere mange av områdene det ønsket å forbedre. “Et av målene med dette prosjektet var å administrere effektiviteten i sylinderen,” bemerker Block. “Vi designet denne motoren for økt fyringstrykk for å imøtekomme rask drivstoffforbrenning samtidig som vi minimerer varmetap, noe som fører til økt ytelse.”

“Vi erkjenner at hvis vi skal gjøre transporten vår mer bærekraftig, må vi gjøre motorene mer effektive,” sier Laurence Fromm, konserndirektør for forretningsutvikling, Achates Power.

En illustrasjon av Achates Powers motordesign med motsatt stempel.En illustrasjon av Achates Powers motordesign med motsatt stempel. Achates Power Inc. Achates Power evaluerer for tiden bruken av motorer med motsatt stempel. Selv om det ikke er et nytt konsept, sier Fromm at det tidligere ble antatt at mens motstempelteknologi var mer effektiv enn konvensjonelle motorer, ville det være en utfordring å møte moderne utslippsstandarder. Selskapet har imidlertid funnet ut at det er motsatt; teknologien er faktisk renere i tillegg til å være mer effektiv.

Fromm forklarer at i en konvensjonell motor er det et stempel som går frem og tilbake i en sylinder. Men i en motor med motsatt stempel har hver sylinder to stempler som kommer sammen. Stempelkronene er det som danner forbrenningskammeret. “Det er mange fordeler med den arkitekturen,” sier han.

See also  Rolls-Royce bruker ny teknologi for å støtte høy motorutnyttelse

Siden det ikke lenger er et sylindertopp, kan effektiviteten forbedres fordi varmetap som typisk er forbundet med sylinderhoder elimineres. I konvensjonelle motorer blir sylinderhodene veldig varme og aggressiv kjøling er nødvendig, og all varmen er bortkastet energi. “Vi kan ta mer av energien i drivstoffet og gjøre det om til nyttig arbeid,” sier Fromm. Studier har vist at en motor med motsatt stempel kan være 13 % til 15 % mer effektiv på grunn av redusert varmetapet og andre fordeler.

Achates Power utvikler en avansert kampmotor for den amerikanske hæren som dobler kraftpakkens tetthet til andre motorer.Achates Power utvikler en avansert kampmotor for den amerikanske hæren som dobler kraftpakkens tetthet til andre motorer. Achates Power Inc. Achates jobber for tiden med flere store prosjekter, hvorav ett er å utvikle en avansert kampmotor for den amerikanske hæren. Power pack tetthet – hvor mye strøm kan settes inn i en enhet – er hovedkriteriet. Hele motorsystemet, inkludert selve motoren, drivstoffsystemet og kjølesystemet, er en del av denne kraftpakken fordi det hele må være under rustning.

Fromm sier at motoren den utvikler med Cummins Inc. dobler kraftpakkens tetthet til andre motorer. “Vi har en mindre motor, et mindre kjølesystem, og fordi vi er mer effektive, har vi et mindre drivstoffsystem,” forklarer han. “Det gjør at vi kan levere dobbelt så mye strøm per volumenhet.”

Dette er viktig for et kampkjøretøy fordi det kan bevege seg og akselerere raskere og lettere klatre opp bakker, noe som gjør det lettere å engasjere og unnslippe fiender.

Ved å ikke ha sylinderhode er varmetapene minimale; varmeavvisning er omtrent 30 % mindre enn en konvensjonell motor. Dette betyr at størrelsen på kjølesystemet også kan reduseres med omtrent 30 %, noe som bidrar til å redusere plasskravet til motorsystemet. Selve motoren er også mindre samtidig som den gir mer krafttetthet på grunn av at den er en totaktsmotor.

“Vi får et kraftslag i hver sylinder for hver omdreining av motoren, som iboende er mer krafttett enn en konvensjonell motor,” sier Fromm.

Utvide drivstoffalternativer

Libertine FPE utvikler for tiden motsatt fristempelmotorteknologi, som erstatter veivakslene med programvarekontroll. Hvis du gjør det, vil enhver forbrenningshendelse kunne løpe optimalt ved å bruke sanntids kompresjonsforholdskontroll. Dette vil gjøre det mulig for motorer å bli enda renere og mer effektive, sier Sam Cockerill, administrerende direktør i Libertine FPE.

Det vil også muliggjøre en fossilfri fremtid. Spesielt vil det tillate bruk av fornybare drivstoff som etanol og metanol. Å lage drivstoff som fungerer som bensin og diesel er dyrt og energiineffektivt. “Å lage enkle molekyler som etanol og metanol, det er enkelt å gjøre, det er kostnadseffektivt, det er mer energieffektivt og det har lavere klimagasspåvirkning,” hevder Cockerill.

Shown is a concept for Libertine's end product, which brings together the electric components as well as control hardware and software into a platform engine developers can use to command compression ratios cycle by cycle.Vist er et konsept for Libertines sluttprodukt, som samler de elektriske komponentene samt kontrollhardware og programvare til en plattform som motorutviklere kan bruke for å styre kompresjonsforhold syklus for syklus. Libertine FPE For å bruke disse fornybare drivstoffene er det imidlertid et større behov for mer nyanserte kompresjonsforhold, noe dagens motorer ikke klarer. Libertine er ute etter å løse dette problemet ved å bruke programvare i stedet for en veivaksel, som egentlig er et dunkende stykke metall som ikke kan kontrolleres også. “Vi legger friheten til å velge kompresjonsforhold hver syklus i hendene på forbrenningsingeniører, slik at de kan lage bedre motorer for fornybart drivstoff,” sier Cockerill.

Han bemerker at dette er en utfordring ingeniører har prøvd å overvinne i flere år med ulike design, men å generere elektrisk kraft mens de opprettholder stempelbevegelseskontrollen har vist seg å være plagsom. Fremskritt innen kraftelektronikk, innebygde kontroller og magnetiske materialer de siste årene har gitt nye muligheter.

Enabling greater control over compression ratios provides more flexibility in the types of fuels engine manufacturers can use.Å muliggjøre større kontroll over kompresjonsforhold gir mer fleksibilitet i hvilke typer drivstoff motorprodusenter kan bruke. Libertine FPE Libertine samler de elektriske komponentene samt kontrollmaskinvare og programvare til en plattform som motorutviklere deretter kan bruke for å styre kompresjonsforholdet syklus for syklus, akkurat som de gjør med drivstoff og tenning i dag. “Ved å gjøre den plattformen til en del av teknologimiljøet som en forbrenningsutvikler kan bruke, snarveier den utviklingen av gratis stempelmotorprodukter med år, muligens så mye som et tiår,” sier Cockerill.

See also  रूस ने रॉकेट इंजन की आपूर्ति में कटौती की और अंतरिक्ष स्टेशन साझेदारी को धमकी दी

Dette betyr at det kan være mulig å bringe alternativt drivstoffmotorer til markedet raskere, og hjelpe produsenter og sluttbrukskunder med å nå utslippsreduksjonsmålene raskere. “Hvis du bytter ut veivakselen med lineære elektriske maskiner, er det en drivstofffleksibel motor,” sier Cockerill. Selv om det er noen få aspekter som fortsatt må vurderes, for eksempel materialkompatibilitet i drivstoffrørene og valg av injektor, muliggjør det generelt drivstofffleksibilitet å ha kontroll over kompresjonsforholdet.

Dette betyr igjen at en motor kan designes for å kjøre på fremtidig fossilfritt drivstoff som etanol og metanol samtidig som den er bakoverkompatibel med drivstoff som er i bruk i dag. Cockerill sier at denne fleksibiliteten løser “kylling og egg”-problemet som nye motorer designet eksklusivt for nytt drivstoff står overfor.

Det er stor interesse for Libertines teknologi for tunge motorer på og utenfor motorveier. Dette er fordi batteri-elektriske løsninger alene ikke vil være tilstrekkelig for å oppfylle målene for utslippsreduksjon på grunn av størrelse, vekt og effekttetthet som trengs, samt mangel på ladeinfrastruktur i mange tilfeller. Som sådan vil forbrenningsmotorer og muligheten til å bruke alternativt drivstoff være nødvendig i disse applikasjonene.

“Fornybart drivstoff og forbrenningsmotorer, de fungerer i dag,” sier Cockerill. “Jeg tror de vil være en stor del av fremtiden.”

Mange erkjenner at elektrifisering av tunge applikasjoner vil være vanskelig, noe som krever en blanding av alternativer for å avkarbonisere industrien.

Møte gjeldende og fremtidige utslippsforskrifter

Redusering av utslipp vil fortsatt være et fokusområde for produsenter ettersom de og deres kunder ønsker å minimere miljøpåvirkningen i de kommende årene. Regjeringer over hele verden implementerer også strenge karbonreduksjonsmål som vil gjøre det nødvendig med OEM-er og motorprodusenter å finne måter å redusere utslippene ytterligere.

De siste utslippsreglene har hovedsakelig fokusert på markedet for tunge motorveier, slik som fase 2 drivhusgass (GHG)-standarden for mellom- og tunge kjøretøy gjennom modellåret 2027 i USA. Mange i bransjen forventer imidlertid. lignende reguleringer vil komme inn på off-highway-markedet på et tidspunkt i fremtiden.

“Utslippsforskriftene på motorveier har vanligvis banet vei for påfølgende offroadstandarder,” sier Pelton. “Fase 2 GHG-standardene er et godt eksempel på hva de fleste i bransjen forventer å se i terrengutstyr også. Det vil bli optimalisering av hele kjøretøyet med selve dieselmotoren som kun spiller en rolle i totalløsningen. Dette vil kreve enda sterkere partnerskap med våre OEM-kunder, ettersom vi må jobbe enda tettere sammen for å produsere produkter som etterspørres av både brukerne og det regelverket som er på plass.”

Shown is an Achates Power's 10.6L heavy-duty diesel engine in a Peterbilt 579 truck, which will be driven in fleet service in California later in 2021.Det vises en Achates Powers 10,6L kraftig dieselmotor i en Peterbilt 579-lastebil, som vil bli kjørt i flåtetjeneste i California senere i 2021. Achates Power Inc. Fromm sier en av de store fordelene med Achates sin motstempelmotordesign. er dens evne til å redusere utslippene av NOx (nitrogenoksider), noe som vil være fordelaktig for produsenter av utstyr både på og utenfor motorveier. “California passerte nettopp NOx-utslippene for kjøretøyer på vei som krever ytterligere 90% reduksjon i NOx fra og med 2027,” bemerker han. “De sa at de nå kommer til å fokusere på offroad som deres neste område å ta en titt på for å senke NOx.”

For å redusere NOx er det nødvendig å raskt få systemet for selektiv katalysatorreduksjon (SCR) så varmt som mulig for å sikre at kun ufarlig nitrogen og oksygen kommer ut av kjøretøyets enderør. En motor med motsatt stempel er i stand til å oppnå dette siden den har svært høy entalpi (termodynamisk mengde som tilsvarer det totale varmeinnholdet i et system) for å varme opp katalysatoren samtidig som den oppnår lavt NOx-utslipp fra motoren.

See also  INDYCAR déplace son nouveau groupe motopropulseur hybride jusqu'en 2024

“Grunnen til at vi kan gjøre dette er fordi vi i motoren med motsatt stempel har inntaksporter på den ene siden av motoren og eksosåpninger på den andre siden. Det er stempelbevegelsen som åpner og lukker portene. Og den porttimingen tillater oss å rense sylinderen i én retning. Så, eksosportene åpnes først, eksosen går ut, inntaksportene åpnes, vi setter inn ny frisk luft, portene lukkes og vi komprimerer og tenner,” forklarer Fromm.

“Vi er i stand til dynamisk å endre hvor mye avgass vi etterlater i sylinderen,” fortsetter han. “Når vi ønsker å generere mye entalpi, går vi inn i det vi kaller en katalysatorlys av-modus hvor vi reduserer strømmen gjennom motoren.”

Ved å maksimere mengden avgass som forblir i sylinderen, kan den bli varmere når den sitter i sylinderen; jo varmere det er, desto bedre er det i stand til å tenne katalysatoren raskt. Fordi denne eksosgassen allerede er forbrent, har den effekten av intern eksosgassresirkulering (EGR), som vanligvis brukes for å redusere NOx. Mens en konvensjonell motor må pumpe eksosgass inn og ut, er motoren med motsatt stempel i stand til å redusere dette ekstraarbeidet gjennom sin dynamiske kontroll av gassen og la den bli i sylinderen.

“Vi har motorer på dynamometeret vårt nå som vi har målt evnen til å møte California-kravet i 2027 for en 90% reduksjon ved bruk av konvensjonelle etterbehandlingssystemer tilgjengelig i dag,” påpeker Fromm.

“Konvensjonelle motorer har blitt forbedret mye i løpet av de siste 30 eller 40 årene,” fortsetter han. «Men hver gang vi prøver å gjøre dem mindre skadelige når det gjelder CO2- eller kriterieutslipp, blir det vanskeligere fordi vi allerede har vristet så mye ut av det. Vi har nådd punktet med avtagende avkastning; det blir dyrere å gjøre det bedre.»

Med motoren med motsatt stempel sier han imidlertid at det fortsatt er rom for å fortsette å gjøre forbedringer. “Motor-stempelmotoren har innebygde fordeler som lar oss gå utover det som kommer til å være nødvendig i 2027 for å redusere både CO2 og NOx enda mer.”

The Integrated Emissions Control System incorporates the components right into the system rather than utilizing a separate mixing pipe, enabling it to be more streamlined and compact.Det integrerte utslippskontrollsystemet inkorporerer komponentene rett inn i systemet i stedet for å bruke et separat blanderør, noe som gjør det mer strømlinjeformet og kompakt. John Deere Power Systems Block er enig i at ytterligere NOx-reduksjonsstandarder som vurderes for motorveikjøretøyer til slutt vil komme inn i utslippsforskriftene utenfor motorveier. “Dette vil påvirke industrien ettersom produsenter fortsetter å holde styr på nyanserte reguleringer fra land til land samtidig som de hjelper kundene med å håndtere nødvendige overganger,” bemerker han.

For å møte disse og eventuelle andre nye utslippsforskrifter vil det være viktig å fokusere ingeniørarbeidet på forbrenningsteknologi. “Vi må fortsette å vurdere motordesignelementer som kraftsylinder, sylinderhoder, luftsystemer og drivstoffinjeksjonsparametere,” kommenterer Block. “Det er ikke én enkelt ting, men snarere en rekke forbedringer for systemoptimalisering.”

Å styre luftstrømmen gjennom motoren vil også være viktig, spesielt hvis standardene for reduksjon av NOx på motorvei trer i kraft for off-highway-applikasjoner. Effektivisering av etterbehandlingssystemer vil også være viktig.

JDPS’ Integrated Emissions Control System (IECS) er et eksempel på forbedringer som kan gjøres i et etterbehandlingssystem. I følge Block inkorporerer den komponentene rett inn i systemet i stedet for å bruke et separat blanderør. Forbedringer i katalysator- og substratteknologiene tillater mindre størrelser samtidig som de reduserer mengden metall tidligere brukt. “Disse kombinerte forbedringene muliggjør en forbedret, strømlinjeformet etterbehandlingsdesign som er mer kompakt, fleksibel og lavere i kostnad,” legger han til.

Virtuell analyse vil spille en nøkkelrolle i det videre utviklingsarbeidet. Block sier at det lar JDPS definere og optimalisere motorundersystemer for å oppnå ytelsesforbedringer før du lager maskinvare eller bygger forbrenningssystemet. “Vi fortsetter å utforske nye teknologier som muliggjør avanserte forbrenningskonsepter for kontinuerlig forbedring av dieselmotoren,” avslutter han.