55% Eficiència tèrmica: motor de dièsel de dos temps oposat

Sota la tendència global de la neutralitat del carboni, els vehicles comercials, com a àrea clau del consum de combustible i les emissions de carboni, s’enfronten a una pressió sense precedents per a les actualitzacions tecnològiques. Tot i que els motors dièsel tradicionals de quatre temps han estat optimitzats durant més d’un segle, encara estan restringits per colls d’ampolla estructurals inherents. Achates Power ha desenvolupat un modern motor dièsel de dos temps oposat a Piston (Op2 Stroke, OP2S). Basat en un model de motor OP2S de tres cilindres de 4.9L (incloent un model de dinàmica de fluids computacionals tridimensionals, un model unidimensional i un model de fricció), es va realitzar una anàlisi de correlació amb les dades mesurades de proves de dinamòmetre. El model calibrat es va estendre després per predir el rendiment d’un motor OP de tres cilindres de tres cilindres de 9,8L. Pel que fa al disseny del sistema d’entrada, una anàlisi de l’optimització del port va revelar que els ports més petits poden comportar un millor rendiment de la caça. El sistema de combustió es va optimitzar mitjançant mètodes de disseny experimental. Les prediccions de la dinàmica de líquids computacionals mostren que en una condició de càrrega parcial de 1200 rpm, aplicant recobriments de barrera tèrmica a banda i banda del bol del pistó pot aconseguir una eficiència tèrmica indicada del 58,4%; L’eficiència tèrmica del fre en aquesta condició arriba al 55%. A la condició nominal (velocitat del motor de 1800 rpm), l'eficiència tèrmica del fre és del 48,1%; Mentre que a la condició de parell màxim (1200 rpm), l'eficiència tèrmica del fre pot arribar al 50,8%. El motor de dos cilindres de tres cilindres de tres cilindres (OP Motor) de tres cilindres (OP Motor) de tres cilindres aconsegueix una eficiència tèrmica de fre del 55% sense confiar en sistemes de recuperació de calor de residus (WHR) o tecnologia turbo-component, mentre que compleix els objectius estrictes d’emissions d’escapament. Aquest assoliment proporciona una solució de baix cost i d’alta eficiència per a vehicles comercials de gran resistència a través de l’optimització de l’estructura del motor i del sistema de combustió.

I. El renaixement modern d’una tecnologia centenària

El motor de pistó oposat no és un concepte nou. La seva història es pot remuntar al motor de dièsel de Junkers Jumo 205 a la dècada de 1930. Tot i això, Achates Power l’ha revolucionat abordant els defectes inherents dels dissenys tradicionals:

- Sense capçal de cilindre i tren de vàlvules: eliminant el cilindre, l’arbre de lleves, les vàlvules i més de 200 components d’un motor convencional, es redueixen les pèrdues mecàniques en un 30%i els costos de fabricació es redueixen més d’un 15%.

- Sistema de caça eficient: s’elimina la capçalera tradicional del cilindre del motor de quatre temps i la cambra de combustió està formada per dos pistons contraris. Els ports d’entrada i d’escapament estan controlats pels extrems dels pistons, aconseguint una caça unidireccional i uniforme. L’eficiència de l’intercanvi de gas s’incrementa un 40% en comparació amb els motors tradicionals de dos temps, mentre que la pèrdua de calor a través de la culata es redueix.

- Avantatges termodinàmics: la proporció de superfície / volum de la cambra de combustió es redueix en un 25%, minimitzant la pèrdua de calor. Amb una elevada proporció de compressió i tecnologia de gestió tèrmica, la proporció de compressió s’eleva a 21: 1. Optimitzant el volum de pistons i combinant el control de la pressió de la ingesta, s’aconsegueix una combustió eficient, amb una eficiència tèrmica indicada (ITE) del 58,6%.

- Recobriment de barrera tèrmica (TBC): s’aplica un recobriment ceràmic a la superfície del bol del pistó, reduint la pèrdua de calor de la cambra de combustió al sistema de refrigeració i millorant l’eficiència tèrmica aproximadament en un 2%aproximadament.

II. Disseny bàsic: equilibri perfecte d’eficiència i potència

1. Avanç en arquitectura del pistó en línia

Amb una arquitectura de doble canya, els dos pistons es mouen en direccions oposades dins del cilindre i es sincronitzen a través d’un sistema d’engranatges. Aquest disseny ofereix tres avantatges principals:

• Disposició compacta: l'amplada del motor és només el 60% de la dels models tradicionals, cosa que la fa adequada per al xassís de vehicles comercials existents.

• Característiques de baixa vibració: la inèrcia dels pistons es cancel·la, reduint la vibració global en un 50%, millorant la comoditat i la durabilitat.

• Sortida de potència flexible: mitjançant l’ajust de la relació de transmissió d’engranatges, es pot aconseguir un parell alt (adequat per a camions pesats) o una alta velocitat de rotació (adequada per a equips de generació d’energia).

2. El secret per a l'eficiència del cicle de dos temps

En comparació amb els motors de quatre temps, el disseny de dos temps permet a cada cilindre completar un cicle de combustió per revolució. Combinat amb les optimitzacions següents, el rendiment es millora significativament:

• Densitat d’alta potència: amb el mateix desplaçament, la sortida de potència s’incrementa un 60%i un model de 3 cilindres 1.6L pot arribar a una potència de 160kW.

• Procés d’excavació controlada amb precisió: mitjançant l’optimització de simulació CFD del temps de passatge d’aire, l’escala es completa dins del rang d’angle del cigonyal de 145 graus - 230 grau, amb una eficiència de caça que arriba a més del 95%.

• Baixa pèrdua de bombament: només es requereix un cercador parcial per mantenir l’eficiència de la combustió i la pèrdua de bombament es redueix un 30% en comparació amb els motors de quatre temps.

3. La relació daurada dels paràmetres clau

• Ràtio de diàmetre d’ictus/cilindre 2.4: mitjançant la verificació de simulació de camp multi-física, aquesta proporció aconsegueix l’equilibri òptim de pèrdua de calor, pèrdua de fricció i pèrdua de bombament.

• Configuració de tres cilindres: evita el problema d’interrupció de l’energia de la turbina dels models de 2 cilindres i la interferència d’escapament de models de 4 cilindres, aconseguint un funcionament eficient en totes les condicions laborals.

• Rail comú de pressió d’alta pressió de 2000 bar: disseny de l’injector doble, combinat amb un disseny de boquilla propietari, amb una mida de partícula d’atomització de combustible inferior a 8 μm, i la durada de la combustió s’escurça fins a un angle de cigonyal de 10-19 graus.

Iii. Perspectives d'aplicació al sector del vehicle comercial

El motor OP2S ha demostrat la seva adaptabilitat en diversos escenaris:

• Camions de gran resistència: el model de tres cilindres de 4.9L pot produir 480kW de potència, reduint el pes en 300kg en comparació amb el mateix motor dièsel i estalviant 12.000 litres de combustible anualment.

• Maquinària de construcció: la característica d’alta densitat de parell permet al motor tenir un 40% de mida menor, millorant la mobilitat global de la màquina.

• Sistemes d’energia híbrids: quan s’utilitza com a reforç d’energia, cobreix el 80% de les condicions laborals en el rang d’alta eficiència, reduint el consum total de combustible del sistema en un 25%.

L’experiència pràctica del poder d’Achates ha demostrat que, en reconfigurar profundament els motors tradicionals de combustió interna, encara es pot desencadenar un potencial de rendiment important. Aquest motor dièsel de dos temps oposat a Piston, que combina la saviesa centenària amb la tecnologia moderna, no només proporciona un camí pràctic per a la reducció de costos i la millora de l'eficiència en la indústria del vehicle comercial, sinó que també construeix un pont tecnològic sostenible durant la transició cap a l'electrificació. (NOTA: Les dades tècniques d’aquest article es deriven del document internacional SAE "Desenvolupant un motor oposat a pistó oposat al 55% BTE BTE"))