55％の熱効率：2ストロークの反対ピストンディーゼルエンジン

世界の炭素中立性の傾向では、燃料消費と炭素排出量の重要な領域としての商業車両は、技術的アップグレードの前例のない圧力に直面しています。従来の4ストロークディーゼルエンジンは1世紀以上にわたって最適化されていますが、それらはまだ固有の構造ボトルネックによって制約されています。 Achates Powerは、最新の反対ピストン2ストロークディーゼルエンジン（反対ピストン2ストローク、OP2）を開発しました。 4.9L 3気筒OP2Sエンジンモデル（3次元計算流体ダイナミクスモデル、1次元モデル、摩擦モデルを含む）に基づいて、ダイナモメーターテストからの測定データで相関分析を実施しました。次に、キャリブレーションされたモデルを拡張して、9.8Lの3気筒ヘビーデューティOPエンジンの性能を予測しました。摂取システム設計の観点から、ポートの最適化の分析により、ポートが小さいことがパフォーマンスの清算につながる可能性があることが明らかになりました。燃焼システムは、実験設計法を使用して最適化されました。計算流体ダイナミクスの予測は、1200 rpmの部分荷重条件で、ピストンボウルの両側に熱バリアコーティングを適用すると、58.4％の示された熱効率が得られることを示しています。この状態でのブレーキの熱効率は55％に達します。定格条件（エンジン速度1800 rpm）では、ブレーキの熱効率は48.1％です。ピークトルク条件（1200 rpm）では、ブレーキの熱効率は50.8％に達する可能性があります。 9.8Lの3気筒反対ピストン2ストロークエンジン（OPエンジン）は、厳格な排気排出目標を達成しながら、廃熱回収システム（WHR）またはターボコンパウンドテクノロジーに依存することなく、55％のブレーキ熱効率を実現します。この成果は、エンジン構造と燃焼システムの最適化を通じて、市販の頑丈な車両に低コストで高効率のソリューションを提供します。

I. 1世紀前のテクノロジーの現代の再生

対立したピストンエンジンは新しい概念ではありません。その歴史は、1930年代にJunkers Jumo 205航空ディーゼルエンジンにまでさかのぼることができます。しかし、Achates Powerは、伝統的なデザインの固有の欠陥に対処することにより、それに革命をもたらしました。

- シリンダーヘッドおよびバルブ列車はありません：シリンダーヘッド、カムシャフト、バルブ、および従来のエンジンの200を超える他のコンポーネントを排除することにより、機械的損失は30％削減され、製造コストは15％以上削減されます。

- 効率的な除去システム：従来の4ストロークエンジンのシリンダーヘッドが除去され、燃焼室は2つの対立するピストンによって形成されます。摂取ポートと排気ポートはピストンの端によって制御され、一方向と均一な清掃を実現します。ガス交換効率は、従来の2ストロークエンジンと比較して40％増加しますが、シリンダーヘッドを介した熱損失は減少します。

- 熱力学的利点：燃焼チャンバーの表面積対体積比が25％減少し、熱損失が最小限に抑えられます。高い圧縮比と熱管理技術により、圧縮率は21：1に上昇します。ピストンボリュームを最適化し、吸気圧力制御を組み合わせることにより、効率的な燃焼が達成され、58.6％の熱効率（ITE）が示されています。

- 熱バリアコーティング（TBC）：セラミックコーティングがピストンボウルの表面に適用され、燃焼室から冷却システムへの熱損失が減少し、熱効率が約2％減少します。

ii。コアデザイン：効率とパワーの完璧なバランス

1。インラインピストンアーキテクチャのブレークスルー

デュアルクランクシャフト駆動型アーキテクチャを使用すると、2つのピストンはシリンダー内で反対方向に移動し、ギアシステムを介して同期されます。このデザインは3つの大きな利点を提供します。

•コンパクトなレイアウト：エンジン幅は従来のモデルの幅のわずか60％であり、既存の商用車シャーシに適しています。

•低振動特性：ピストンの慣性は互いにキャンセルされ、全体的な振動が50％減少し、快適さと耐久性が向上します。

•柔軟な出力出力：ギアトランスミッション比を調整することにより、高トルク（重いトラックに適しています）または高回転速度（発電機器に適しています）を実現できます。

2。2ストロークサイクルの効率の秘密

4ストロークエンジンと比較して、2ストローク設計により、各シリンダーは革命ごとに1つの燃焼サイクルを完了することができます。次の最適化と組み合わせて、パフォーマンスは大幅に向上します。

•高出力密度：同じ変位により、出力は60％増加し、3-シリンダー1.6Lモデルは160kWの電力に達することができます。

•正確に制御された清掃プロセス：CFDシミュレーションを通じて、空気通路のタイミングの最適化により、除去は145度- 230程度のクランクシャフト角範囲内で完了し、清掃効率は95％以上に達します。

•ポンプ損失の低い：燃焼効率を維持するには、部分的な除去のみが必要であり、ポンプ損失は4ストロークエンジンと比較して30％減少します。

3。キーパラメーターの黄金比

•ストローク/シリンダー直径比2.4：マルチフィジックフィールドシミュレーションの検証を通じて、この比率は、熱損失、摩擦損失、ポンピング損失の最適なバランスを達成します。

•3気筒構成：{2-シリンダーモデルのタービンエネルギー中断の問題と4-シリンダーモデルの排気干渉を回避し、すべての労働条件で効率的な動作を達成します。

•2000BAR高圧コモンレール：デュアルインジェクターレイアウトは、燃料霧化粒子サイズが8μm未満の独自のノズル設計と組み合わせて、燃焼期間が10-19程度のクランクシャフト角に短縮されます。

iii。商用車セクターのアプリケーションの見通し

OP2Sエンジンは、さまざまなシナリオで適応性を実証しています。

•頑丈なトラック：4.9Lの3気筒モデルは、480kWの電力を出力し、同じ電力ディーゼルエンジンと比較して300kgを減らし、毎年000リットルの12リットルを節約できます。

•建設機械：高トルク密度の特徴により、エンジンのサイズが40％小さくなり、機械の全体的な可動性が向上します。

•ハイブリッド電源システム：エネルギーブースターとして使用すると、高効率範囲の労働条件の80％をカバーし、システムの総燃料消費量を25％削減します。

Achates Powerの実際の経験は、従来の内燃機関を深く再構成することにより、重要なパフォーマンスの可能性を解き放つことができることを証明しています。この対立するピストン2ストロークディーゼルエンジンは、1世紀の知恵と現代の技術を組み合わせて、商業車両産業のコスト削減と効率改善のための実用的な道を提供するだけでなく、電化への移行中に持続可能な技術橋を構築します。 （注：この記事の技術データは、SAEインターナショナルペーパー「55％のBTE商業的頑丈な反対ピストンエンジンの開発」から派生しています）