Jak vypočítat optimální spalování?

Umíme testovat pohonné hmoty a palivové systémy pro jednotlivé typy motorů? Ano, ale dříve to byla pořádná dřina zaměstnávající desítky pracovníků laboratoří a dílen. Klopotná cesta vedla od konstrukce motoru k výběru optimálního paliva. To už díky inženýrům z Alabamské univerzity v Huntsville neplatí. Dnes nám v podstatě stačí výkonný počítač a jeden chytrý program.

Jedná se o program, který dokáže celý proces spalování pohonných hmot namodelovat. Od zážehové teploty, možnou uvolněnou energii přes špičky výkonnosti až po různé rychlosti odpařování a úniky spalin. Je jedno, zda jde o motocykl, nebo motor raketoplánu. Software pro matematický modeling s přehledem zvládá všechny druhy a typy paliv, naftu nebo bio-diesel, kerosin, dřevní líh či benzín. Díky němu je možné efektivitněji navrhovat ekologičtější paliva, zlepšovat výkonnost motorů, přidávat koňské síly pod kapotu nebo zvyšovat dojezdovou vzdálenost vozů.

Stačí počítač

Namísto drahého „reálného přístupu“ k modelování, který by zahrnoval sestavení funkčního motoru a experimentování s jednotlivými palivovými směsmi, zastane prvotní práci počítač. Ze známých a proměnných vybere potřebné informace, které se uplatní ještě před samotnou konstrukcí prototypu motoru, což při testování výrazně sníží provozní náklady.

Pokud chceme získat numerický diagram vnitřních procesů spalování v motoru, první věc, kterou potřebujeme znát, bude výběr paliva. To není vůbec snadné – pohonné hmoty jsou velmi komplexní substance, které dnes obsahují stovky složek, z nichž je třeba vytvořit optimální kombinaci. Doktor Chien-Pin Chen, vedoucí katedry chemického inženýrství na univerzitě v Huntsville, spolu s doktorandem Omidem S. Abianehem proto vytvořili „ideální“ trojsložkovou substanci, která posloužila jako základ testovacího modelu. Na ní pak ověřovali, jak se chovají jednotlivé látky při vstřikování do spalovací komory.

Klíčem je turbulence

Moderní motory vstřikují palivo v přesně stanovených intervalech. Velikost částic palivového aerosolu, jeho složení, teplota okolního prostředí – to vše dohromady ovlivňuje chování každé jednotlivé kapičky paliva. Vnitřní fyzika tělesa je základ. Na výsledném výkonu a efektivní práci motoru se dále podílí odpařování paliva. Vědci z Alabamy na srovnávacím modelu postupně aplikovali rozbor chování všech paliv certifikovaných a uveřejněných ve státní databázi Národního institutu pro normy a technologie (National Institute of Standards and Technology).

„Modelování trajektorie jednotlivých drobných kapek paliva nás vedlo k myšlence, že každé palivo vyžaduje specifický typ vstřikovače,“ říká Chen a dodává: „Otázkou je, jak nejlépe podchytit tvarový design vstřikovače pro co nejefektivnější šíření plamene. Proto jsme se soustředili na turbulentní vstřikovače, které umožňují kompletní rozšíření paliva po celém objemu spalovacího prostoru.“

Problémem řady současných vstřikovačů je, že při zažehnutí paliva způsobují jakousi řízenou mikroexplozi, která ale opotřebovává motor. Mnohem účelnější je dynamické hoření. K tomu je však třeba použít specifické a přesně dávkované palivo. A právě takové už díky modelovacímu počítačovému programu pro jednotlivé motory umíme rychle najít.

Zdroj:

Článek, uveřejněný 18. 3 2013 na serveru ScienceDaily.com pod názvem „Model Allows Engineers to Test Fuel Systems On Computers“.