В настоящее время ведутся исследования в Лаборатории археологических исследований США (ARL), чтобы создать «супермотор», который мог бы, например, использовать военные наземные транспортные средства, стационарные генераторы и небольшие беспилотные летательные аппараты для работы с одним и тем же видом топлива.
В конце 1980-х годов министерство обороны (МО) издало политику «единого топлива вперед», призывающую к использованию топлива на основе керосина JP-8 для снижения значительного бремени логистики, связанного с управлением и транспортировкой нескольких видов топлива на поле битвы.
Но использование одного топлива вызывает множество проблем несовместимости, а именно в смазке, большие вариации в цетановых числах, которые измеряют период времени между началом впрыска топлива и началом зажигания или сгорания двигателя, а также тот факт, что ни один из двигателей, которые используются JP-8, в том числе их топливные системы, и откалиброваны для JP-8, сказал д-р Chol-Bum «Майк» Квоон, исполняющий обязанности ведущей команды двигателей подразделения ARL по техническому управлению транспортными средствами на Aberdeen Proving Ground (APG), Md.
Он сказал, что этот разрыв в дизайне обусловлен тем, что в промышленности и правительстве недостаточно информации о конкретных характеристиках сгорания, связанных с использованием JP-8 в двигателях с прерывистым движением.
«Обычно крупные компании не хотят разрабатывать двигатели, специфичные для JP-8, потому что для этого требуются значительные усилия и финансирование, в то время как рынок для военных относительно невелик и нестабилен. Поэтому относительно небольшие компании разрабатывают двигатели с двигателем JP-8 для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в то время как дизельные двигатели используются для двигателей наземного транспорта. Малые компании не имеют возможности выполнять фундаментальные фундаментальные исследования », – пояснил Квеон
Исследование ARL связывает этот пробел в знаниях, что в конечном итоге может привести к созданию двигателя, который оптимально работает с JP-8.
«Точность проникновения топлива, испарения, испарения и смешивания впрыска топлива должна быть точно понята правильно, чтобы правильно спроектировать камеры сгорания и системы впрыска топлива, потому что фундаментальное понимание распыления топлива и сгорания имеет важное значение для оптимизации процессов горения двигателей, работающих на двигателе JP-8, для улучшения топливной эффективности, производительности двигателя и надежности », – сказал Квеон.
Лаборатория исследований горения ARL – это современная высокотемпературная и высоконапорная камера сгорания, открытая этим летом для исследований топливного спрея и сжигания, важнейших областей, представляющих интерес для обороны, для облегчения фундаментальных исследований и разработок для успешной разработки систем сжигания JP-8.
В настоящее время ARL сотрудничает с аналитической деятельностью по управлению армией Materiel для оценки топливного инжектора, который используется в двигателе Caterpillar C7, используемом в Strykers. Результаты будут определять, как свойства топлива влияют на производительность систем впрыска топлива, которые в настоящее время используются в двигателях наземного транспорта.
Уникальная лаборатория, не имеющая себе равных в отрасли
Исследования технологии транспортных средств ARL восходят к началу 1980-х годов в газотурбинных двигателях, но когда эта исследовательская область переместилась в APG в 2011 году из NASA Glenn в Кливленде, штат Огайо, из-за базовой перестройки и закрытия, ARL расширила свою концепцию автомобильных технологий, включив в нее внутренние двигатели внутреннего сгорания. Эта лаборатория выполнена с инфраструктурным фондом ARL, который был награжден в конце 2010 года.
Единственное лабораторное пространство лаборатории такого рода в Министерстве обороны, Исследовательская лаборатория по сжиганию, также будет использоваться для облегчения разработки систем впрыска тяжелых топлив, что в конечном итоге приведет к разработке высокоэффективных двигателей БПЛА.
«В настоящее время нет« надежной »системы впрыска тяжелого топлива для двигателей БПЛА», – сказал Квеон, который получил степень магистра наук и докторскую степень в Университете Висконсин-Мэдисон (UW-Madison), который имеет большую программу исследований двигателей в его Исследовательский центр двигателя. Он проводил исследования по дизельным двигателям, различным видам топлива (дизельное топливо, альтернативные дизельные топлива, дизельное топливо, смешанное с потоками бензина, спиртами и т. Д.), Сжигание, выбросы, спецификация сажевых частиц, оптическая диагностика и т. Д.
Лаборатория сжигания ARL содержит высокотемпературную камеру до 1000 кельнов (K) и высокого давления – до 150 бар, которая может имитировать реальные условия работы двигателя, за исключением движения жидкости. Этот тип камеры сгорания позволяет исследовать и исследовать процессы непрерывного распыления и горения.
«В настоящее время это единственная лаборатория в рамках DoD, которая обладает этой способностью», – подчеркнул Квеон.
General Motors, в Уоррене, штат Мичиган, имеет первое поколение этой камеры, имеющее 100 бар при 1000 K, а Caterpillar, в Пеории, штат Иллинойс, имеет второе поколение, которое предлагает 150 бар при 1000 K.
ARL имеет камеру третьего поколения.
В объекте ARL также имеются системы подачи азота и на месте азота, в которых мы можем контролировать концентрацию кислорода от 0 (почти чистый азот) до 21% (чистый воздух) в системе смешивания газов. Через компрессор высокого давления воздух, азот или смесь воздуха и азота могут подаваться в камеру сгорания при давлениях свыше 300 бар (г) для исследования только распыления, спрея и горения или для имитации рециркуляции отработавших газов (EGR ), который является общим в современных двигателях.
«Тем не менее, мы используем только 150 бар (г) в камере сгорания, поскольку это представляет большую часть условий работы двигателя внутреннего сгорания с турбонаддувом. В Сандийских национальных лабораториях, NM и Мичиганском технологическом университете есть камера с различным типом камеры сгорания (т. Е. Камера с постоянным объемом), которая обладает такими же возможностями, что и в ARL по температуре и давлению ».
«Основное различие заключается в том, что одно в ARL представляет собой проточную камеру сгорания, которая управляет давлением, температурой и расходом камеры (очень медленно по сравнению с скоростью впрыска топлива) в заданных точках испытательной секции, тогда как камера с постоянным объемом имеет изменяя температуру и давление в камере при использовании предварительно смешанных газов сгорания. И частота впрыска намного выше для проточной камеры, чем камера с постоянным объемом. Поэтому мы можем выполнять несколько инъекций за цикл и проводить тестирование намного быстрее в проточной камере, чем в камере с постоянным объемом », – сказал Квеон, ранее работавший в R & D General Motors в Уоррене, штат Мичиган, и в GM Powertrain в Понтиак, штат Мичиган, где он проводил исследования по контролю давления на цилиндре.
Для этого исследования Квеон и несколько бывших коллег разработали более 21 интеллектуальной собственности. В настоящее время у него есть 30 интеллектуальных свойств, которые включают 19 патентов, семь заявок на патенты, три заявки на патенты и одно изобретение метода.
Новая лаборатория также будет использоваться для оценки эффективности систем впрыска тяжелых топлив для различных видов топлива, таких как JP-8, дизельное топливо, био и синтетическое топливо; исследовать влияние различных свойств топлива на процессы спрея и горения, в конечном счете на характеристики и эффективность двигателя; оценить влияние старения систем впрыска топлива на характеристики двигателя и эффективность использования топлива, особенно для двигателей наземного транспорта, и оценить суррогатное топливо JP-8, которые разрабатываются в рамках различных программ DoD.
«Эта лаборатория обладает уникальной способностью оценивать различные суррогатные виды топлива JP-8 и сравнивать результаты с механизмами сжигания, разработанными различными университетами и государственными лабораториями», – сказал Квеон.
«Это поможет ученым и исследователям разработать универсальный механизм сжигания JP-8. Эта лаборатория будет использоваться для создания базы данных о распылении и сжигании, которая будет необходима для разработки и проверки моделей динамики расчета (CFD) для процессов сжигания и сжигания двигателей для поддержки разработки передовых концепций и практических проектов. Эти модели CFD будут использоваться для оптимизации двигателей внутреннего сгорания как для UAS, так и для наземных транспортных средств с точки зрения параметров форсунок и конструкций камеры сгорания. Эти исследовательские усилия позволят двигателям UAS эффективно работать на тяжелых топлив, таких как JP-8 ».
«Лаборатория исследований сжигания была введена в эксплуатацию в этом году и работает. Я уверен, что эта лаборатория станет важным активом для армии и Министерства обороны, чтобы поддержать развитие и / или продвижение различных наземных и БПЛА », – сказал Квеон.”