Какие бывают двигатели и что они едят

07.05.2020

На сегодняшний день наиболее распространённым двигателем является поршневой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, или Отто-мотор. Он установлен на большинстве автомобилей в мире. Это легкий, дешевый, тихий и хорошо изученный двигатель. Однако человечество постоянно пытается придумать ему альтернативу как по устройству, так и использованию другого рабочего тела – топлива. И иногда у инженеров получаются весьма занятные экземпляры.

В 2013 году французский концерн PSA представил систему Hybrid Air, работающую на сжатом воздухе. Однако они были далеко не первыми. Motor Development International на Женевском автосалоне 2009 года представили пневмоколяску MDI AIRpod и ее более серьезный вариант MDI OneFlowAir. В 2011 году японцы провели тест-драйв концепт-кара Toyota Ku Rin, который проехал 3,2 км на одном «заряде» сжатого воздуха. А в 2012 году Tata Motors представила трехместный и трехколесный автомобиль Tata AIRPod.

В отличие от предшественников, разработка PSA оказалась элегантнее и проще. Два баллона со сжатым воздухом, компрессор, нагнетающий воздух, и гидравлический мотор, передающий энергию сжатого воздуха в КПП. Система сама пополняла воздушные запасы (например, Tata Airpod требовалось «накачивать» каждые 200 км). Помимо установки со сжатым воздухом, под капотом Hybrid Air предполагалось устанавливать классический 3-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, который бы играл роль насоса и вспомогательного мотора.

В городе машина с Hybrid Air может до 80% времени ехать только на воздухе, не загрязняя атмосферу. Топливная экономичность варьируется от нулевых значений расхода и выбросов до 2,9 л/100 км и 69 г/км при использовании двигателя внутреннего сгорания соответственно. В компании планировали ставить систему Hybrid Air начиная с 2016 года, но – не сложилось.

Существует три типа двигателей, использующих водород: одни работают как обычный двигатель внутреннего сгорания, другие – газотурбинные, третьи – агрегаты, использующие химическую реакцию водорода.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, появился в 1806 году, водород в нем использовался как обычный бензин. Однако использовать такие оригинальные двигатели накладно. В газотурбинных двигателях газ сжимается и нагревается, затем выделяемая энергия преобразуется в механическую. В качестве топлива можно использовать практически любое горючее.

Но самые интересные из водородных силовых установок – «химические». Концерны BMW и Toyota представили кроссовер i Hydrogen NEXT на базе последнего X5. Его силовая установка состоит из электродвигателя и литий-ионной батареи, стеков с водородными топливными элементами, химического преобразователя и двух баков, в которых под давлением 700 бар хранится 6 кг водорода. Стек специальных ячеек, наполненных водородом, конвертирует химическую энергию газа в электричество, которое аккумулируется в батарее, а она в свою очередь питает электромотор. Электрохимический генератор в составе топливного элемента выдает мощность 125 кВт (170 л. с.), а пиковая мощность силовой установки — 275 кВт (374 л.с.). В качестве топлива используется смесь водорода и кислорода из окружающего воздуха, вместо вредных выбросов система вырабатывает водяной пар. В BMW заявляют, что к 2022 году планируют выпустить первую партию водородомобилей.

Более ста лет назад, 23 февраля 1892 года Рудольф Дизель получил патент на свой двигатель. Принципиальным отличием его двигателя от Отто-мотора было то, что топливо в нем нагревалось быстрым сжатием, а не поджогом. Удивительно, но первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или легких нефтепродуктах. Кроме того, первоначально в качестве идеального топлива он предлагал использовать каменноугольную пыль, так как в Германии не было запасов нефти.

Спектр видов топлива для дизельных двигателей весьма широк. Сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения: рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определенным успехом работать даже на сырой нефти.

Кстати, в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления» – агрегат, аналогичный мотору Дизеля. Наша конструкция оказалась более совершенной и перспективной. Но под давлением владельцев лицензий Дизеля все работы над отечественным аналогом дизельного двигателя были остановлены.

Самый престарелый из всех тепловых двигателей именно роторный. С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. В 19 веке стали активно использовать роторные паровые двигатели.

В 1957 года Феликс Ванкель и Вальтер Фройде показали общественности полностью работоспособный роторно-поршневой двигатель (РПД) внутреннего сгорания. Через 7 лет этот движок установили на спорткар NSU Spider, который стал первым серийником с роторно-поршневой двигатель. Такой двигатель лишен большого количества движущихся частей, он проще, а особая конструкция мотора позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Но из-за конструктивных особенностей у роторных двигателей крайне низкий ресурс, высокий расход масла и топлива, хотя и большая отдача с меньшего объема.

Из-за этих особенностей единственной компанией, которая массово, помимо NSU, выпускала автомобили с роторно-поршневым движком была Mazda. И легендарная Mazda RX-8 была скорее имиджевой моделью, нежели коммерческой. В итоге в начале 2000-х работу с роторно-поршневыми двигателями свернули.

По материалам портала «Популярная механика»

Новости по теме

14.01.2020

Самый большой дизельный двигатель в мире

Сегодня дизельные двигатели используются повсеместно: на тепловозах и грузовиках, судах и тракторах, легковых автомобилях […]

02. 06.2020

Как строили самый мощный двигатель на СПГ

CMA CGM поделилась видео строительства самого мощного двигателя, работающего на сжиженном природном газе. Двигатель […]

Какие бывают двигатели, и чем их можно заправлять

Поршневой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, по-научному Отто-мотор, сегодня получил максимальное распространение и на текущий момент установлен на значительной части легковушек. Он легкий, дешевый, тихий, изучен продольно и поперечно, да и обслуживать его проще простого. Однако человечество постоянно пытается придумать этому движку альтернативу как по устройству, так и использованию другого рабочего тела — топлива. И порой, у инженеров выходят весьма занятные экземпляры.

Саша Эпштейн

Сжатый воздух

В 2013 году концерн PSA представил систему Hybrid Air, работающую на сжатом воздухе. Французы были далеко не первые. За два года до них японцы испытывали свой прототип Toyota Ku Rin, которая смогла проехать на одном «заряде» сжатого воздуха три с лишним километра — рекорд по тем временам. Годом позже отличились инженеры индийской Tata Motors, представив предсерийное чудо Tata Airpod — трехместный и трехколесный автомобиль для беднейших слоев населения, работающий также на сжатом воздухе.

В отличие от предшественников, разработка PSA оказалась элегантнее и проще. Два баллона со сжатым воздухом, компрессор, нагнетающий воздух, и гидравлический мотор, передающий энергию сжатого воздуха в КПП. Система сама пополняла воздушные запасы, чем качественно отличалась от того-же индийского чуда (Tata Airpod требовалось «накачивать» каждые 200 км). Естественно, помимо «воздушной» установки, под капотом Hybrid Air предполагалось устанавливать классический 3-цилиндровый ДВС, который будет играть роль насоса и вспомогательного мотора.

В компании обещали, что если скорость движения не превысит 70 км/ч, то энергия от сжатого воздуха будет использоваться в течение 60-80% времени. Топливная экономичность варьировалась от нулевых значений расхода и выбросов до 2,9 л/100 км и 69 г/км при использовании ДВС соответственно. Французы планировали начать оснащать Hybrid Air текущие модели концерна с 2016 года, но не сложилось.

Водородные топливные элементы

Есть три типа двигателей, использующих водород: одни работают как обычный ДВС, другой тип — газотурбинные, третьи — агрегаты, использующие химическую реакцию водорода. Первый ДВС, работающий на водороде, появился аж в 1806 году, водород в нем сгорал, как обычный бензин. Сегодня количество таких оригинальных движков стремится к нулю — использовать их чертовски накладно. В газотурбинных агрегатах газ сжимается и нагревается, затем выделяемая энергия преобразуется в механическую. В качестве топлива может использоваться практически любое горючее, которое можно диспергировать: от собственно газов (в том числе водород), до твердых носителей.

Но самые интересные из водородных силовых установок — «химические». В марте этого года BMW и Toyota представили кроссовер i Hydrogen NEXT на базе нынешнего X5. Его силовая установка состоит из электродвигателя и литий-ионной батареи, стеков с водородными топливными элементами, химического преобразователя и двух баллонов, в которые под давлением 700 бар закачены шесть килограммов водорода. Стек специальных ячеек, наполненных водородом, конвертирует химическую энергию газа в электричество, которое аккумулируется в батарее, а она в свою очередь питает электромотор. Электрохимический генератор выдает 125 кВт, а общая отдача установки — 275 кВт. Единственным продуктом переработки является водяной пар. В BMW заявляют, что к 2022 году планируют выпустить первую партию водородомобилей.

Дизельный двигатель

Более ста лет назад, 23 февраля 1892 года Рудольф Дизель запатентовал свой чудо-двигатель. Принципиальное отличие его агрегата было в том, что топливо в нем нагревалось быстрым сжатием, а не поджогом как в Отто-моторе. Но самое смешное, что первые двигатели Дизеля работали не на дизеле, а на растительных маслах. Более того, первоначально в качестве идеального топлива изобретатель предлагал каменноугольную пыль, так как в Германии не было запасов нефти.

Спектр видов топлива для дизельных двигателей вообще весьма широк. Сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения: рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определенным успехом работать даже на сырой нефти.

Кстати, в Санкт Петербурге в 1898 году на Путилковском заводе был построен агрегат, аналогичный мотору Дизеля. Более того, наша конструкция оказалась проще, надежнее и даже перспективнее немецкой. Но владельцы лицензий Дизеля возбудились, что появилась конкурентная конструкция. Благодаря их давлению все работы над отечественным аналогом дизельного двигателя были остановлены.

Роторный двигатель

Самый престарелый из всех тепловых двигателей именно роторный, чей прародитель появился аж в первом веке нашей эры. Уже в 19 веке активно использовались куда более похожие на современные роторные паровые двигатели, правда те не отличались эффективностью. 

В 1957 года Феликс Ванкель и Вальтер Фройде показали общественности полностью работоспособный роторно-поршневой двигатель (РПД) внутреннего сгорания. Всего каких-то семь лет доработки, и этот движок уже стоял на спорткаре NSU Spider, который стал первым серийником с РПД. Такой агрегат лишен большого количества движущихся частей, он проще, а особая конструкция мотора позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Но из-за конструктивных особенностей у роторных моторов крайне низкий ресурс, высокий расход масла и топлива, хотя и большая отдача с меньшего объема.

Из-за этих особенностей единственной компанией, которая массово, помимо NSU, упрямо выпускала автомобили с роторно-поршневым движком была Mazda. И легендарная Mazda RX-8 была скорее имиджевой моделью, нежели коммерческой. Как итог, даже упрямые японцы сдались, и в начале 2000-х работу с роторно-поршневыми двигателями свернули.

10 самых необычных автомобильных двигателей внутреннего сгорания

Одноцилиндровый двигатель

Benz Patent-Motorwagen, построенный Карлом Бенцем в 1885 году и считающийся первым автомобилем в истории, оснащался одноцилиндровым четырёхтактным двигателем объёмом 954 «кубика». Спустя почти десятилетие, в 1894 году, собрали 25 машин с таким мотором мощностью от 1,5 до 3 сил.

На протяжении многих лет одноцилиндровые ДВС использовались на небольших городских автомобилях, но при этом были не такими уж распространёнными. Чаще всего их можно встретить в мире двухколёсной техники: на скутерах и мотоциклах.

Роторно-поршневой двигатель (РПД)

Также называемый двигателем Ванкеля, этот мотор в большей степени стал известен благодаря автомобилям Mazda. Считается, что его изобрёл в конце 1920-х годов немецкий инженер-самоучка Феликс Ванкель. Одними из первых такой ДВС получили автомобили NSU. Также роторно-поршневой двигатель ставили на мотоциклы Norton и Suzuki. Но абсолютным рекордсменом по числу моделей, оснащённых им, была все же Mazda (RX-3, RX-7 и RX-8).

В 1991 году гоночная Mazda 787B победила в «24 часах Ле-Мана», став первым автомобилем с РПД, достигшим такого результата. Хотя, она же была и последним, поскольку на следующий год машинам с таким типом мотора запретили участвовать в гонке.

Кстати, наш АвтоВАЗ тоже проектировал роторно-поршневые двигатели. И даже выпускал их малыми сериями.

V16

Поскольку эквивалентным по рабочему объёму моторам V8 и V12 удавалось обеспечивать такие же мощностные характеристики, двигатель V16 не получил широкого распространения в автомобильной промышленности. Хотя несколько любопытных примеров его использования всё же имеют место быть.

Начиная с марки Cadillac, которая первой стала устанавливать такой мотор в 30-х годах прошлого века, продолжая спорткаром Cizeta V16T (на фото) и заканчивая очень редким седаном BMW 767iL в кузове Е32. А ещё двигателями V16 оснащали свои гоночные болиды Alfa Romeo («Тип 316» и «Тип 162») и Auto Union.

V-Twin

Любители мотоциклов хорошо знакомы с этим типом двигателя, который представляет собой V-образный двухцилиндровый агрегат, также обозначаемый V2. Он получил широкое распространение в мире двухколёсной техники и ставился на байки таких марок, как Harley-Davidson, Indian, Suzuki, Honda, Aprilia, Kawasaki и Yamaha.

Впрочем, двигателями V2 в 1920-х годах оснащали и автомобили. Спустя 40 лет Mazda даже выпускала с таким мотором ситикар R360. На сегодняшний день V-Twin встречается только на эффектном Morgan Threewheeler. Причём эта V-образная «двойка» выставлена напоказ перед кузовом.

Газотурбинный двигатель

До сих пор мы говорили только о поршневых ДВС. Однако, в автомобильной истории встречались и куда более экзотические моторы – газотурбинные. Пожалуй, самой известной машиной подобного рода являлась двухдверка, выпущенная для «Крайслера» компанией Ghia в период с 1963 по 1964 годы.

Тираж необычного купе составил всего 55 экземпляров, из которых пять были прототипами и 50 — серийными для будущих покупателей. Все они построены в оригинальных кузовах фирмы Ghia. Модель не получила собственного имени и потому стала известной просто как Chrysler Turbine Car, то есть «турбинный автомобиль Крайслер».

На машину установили газотурбинный двигатель A-831, способный работать буквально на всём, что горит: от бензина и керосина до соевого масла, текилы и даже женских духов. Отдача составляла чуть более 130 сил, а турбина раскручивалась до 60 000 об/мин.

Несмотря на то, что автомобиль успешно прошел испытания на дорогах общего пользования, Chrysler свернул проект. Отчасти из-за финансового кризиса в автоконцерне, а также по причине подготовки к введению первых американских стандартов ограничения токсичности выхлопа.

V5

На самом деле, Audi, Volvo, Mercedes-Benz и Fiat неоднократно оснащали свои модели пятицилиндровыми двигателями. Но обычно они были рядными, V-образный вариант такого мотора – редкость.

Тем не менее, в 1997 году Volkswagen выпустил собственный V5 рабочим объёмом 2,3 л и мощностью 150 л.с. (была и 170-сильная версия с четырьмя клапанами на цилиндр). Этот мотор, известный как VR5, получился не очень удачным и успел засветиться лишь на нескольких моделях концерна: Volkswagen Golf, Bora и Seat Toledo.

8 цилиндров в ряд

В первой половине 20 века рядные «восьмёрки» были довольно распространённым типом двигателя, особенно в Америке. Однако, со временем эти агрегаты уступили место гораздо более компактным V8.

В Европе одним из первых рядные «восьмерки» начал использовать Daimler, позже они появились на Bugatti и Opel, гоночных Duesenberg и Alfa Romeo. А одним из последних был Mercedes-Benz 300 SLR, на котором Стирлинг Мосс (на фото) выиграл Mille Miglia 1955 года.

V4

Хотя четырехцилиндровый V-образный двигатель – явление для автопрома достаточно редкое, некоторые компании всё же оснащали им свои модели. Среди первых был гоночный французский Mors. Затем такой мотор появился у «Лянчи»: сперва на Lambda (первом серийном автомобиле с несущим кузовом), а затем и на Fulvia. Кроме того, найти V4 можно под капотами Ford Taunus (1962-1981 годы) и некоторых моделей Saab. Не будем забывать и о советских «Запорожцах» с агрегатами воздушного охлаждения.

Последним, кто использовал на своих машинах двигатель V4, была компания Porsche. Именно V-образная двухлитровая бензиновая «четвёрка» работала в составе гибридной силовой установки победителя «24-часов Ле-Мана» — Porsche 919 Hybrid.

h26

Такой двигатель был разработан фирмой British Racing Motors (BRM) и, по сути, представлял собой комбинацию из блоков двух оппозитников.

Экзотический мотор стоял на гоночной BRM P83, построенной для Формулы 1 и пилотируемой Грэмом Хиллом и Джеки Стюартом. А ещё на Lotus 43/1 (на фото), на котором Джим Кларк победил в Гран-При США 1966 года.

W8

Моторы с W-образным расположением цилиндров были детищем Volkswagen Group, оснастившей шестилитровым W12 топовые модели Volkswagen Phaeton, Touareg, Audi A8 и Bentley Continental GT.

Впрочем, был у немцев и менее известный восьмицилиндровый агрегат такой же конфигурации. В 2002 году им комплектовали самые дорогие и мощные полноприводные версии «Пассата».

Это был четырёхлитровый агрегат отдачей 275 сил и 370 Нм. По сути, он представлял собой комбинацию из двух блоков V4. И, кстати, не славился надёжностью из-за сложной конструкции.

Новейшие слайд-шоу

7 автомобилей (дорогих и не очень) известных всем юмористов

7 оттенков зеленого: автомобили к празднику клевера и рыжих

От механика до президента: 7 смелых женщин из мира автобизнеса

С них началась Победа: 5 самых грозных бронеавтомобилей СССР

Лучшее за 2021 год: 7 неожиданных машин Джеймса Бонда

10 кроссоверов и внедорожников, которые так и не познали успеха

12 / 12

21 Март 2020 в 15:00

Автор: Хавьер Альварес

Перевод: Сергей Удачин

Автомобильный мир богат самыми разными вариациями двигателей внутреннего сгорания. В последние годы на волне даунсайзинга особо популярны компактные моторы небольшого рабочего объёма с четырьмя, тремя, а иногда даже двумя цилиндрами. Встречаются атмосферные, с турбокомпрессором или с механическим нагнетателем, а также гибридные.

Но сегодня мы поговорим о самых редких и необычных ДВС, какие только можно встретить в природе. Многие из них — с нехарактерным числом и расположением цилиндров. Одни даже не выпускали серийно, а другие ставили лишь на редкие модели. Листайте галерею и узнайте, что это за диковинные моторы!

Автор: Хавьер Альварес

Перевод: Сергей Удачин

Обзор 10 новых двигателей внутреннего сгорания / Хабр

Подписывайтесь на каналы:
@AutomotiveRu — новости автоиндустрии, железо и психология вождения
@TeslaHackers — сообщество российских Tesla-хакеров, прокат и обучение дрифту на Tesla

Шествие двигателей внутреннего сгорания продолжается, при этом в них появляются инновации – от изменяемой степени сжатия до клапанов без кулачков.

Электрические силовые агрегаты в наши дни на пике моды, но эволюция двигателя внутреннего сгорания не замедлилась. На самом деле, новые изменения происходят быстрее, чем когда-либо.

Рассмотрим, например, этот краткий список последних инноваций двигателя: двигатель с турбонаддувом без кулачков; новый дизель с самым низким в мире коэффициентом сжатия; четырехцилиндровый двигатель с переменным коэффициентом сжатия; первый в мире бензиновый двигатель, использующий зажигание при сжатии.

Здесь мы собрали фотографии двигателей, предлагающих некоторые из последних инноваций в области силовых агрегатов. От интеллектуальных двигателей грузовиков до крошечных моделей с турбонаддувом, мы предлагаем вам подборку основных достижений последних лет. Пролистайте следующие слайды, чтобы увидеть лучшие из них.

2,2-литровый двигатель Mazda SkyActiv-D имеет самый низкий в мире коэффициент сжатия (14,1:1) среди всех дизельных двигателей, что, как сообщается, дает потребителям множество преимуществ. Более низкие показатели сжатия идут рука об руку с более низким давлением и пониженной температурой в верхней части поршня, что способствует лучшему смешению воздуха и топлива, а также уменьшает проблемы с оксидами азота и сажей, давно ассоциирующиеся с дизельным двигателем, говорит Mazda. Более того, более низкий коэффициент сжатия SkyActiv-D обеспечивает меньшее трение и меньший вес конструкции. На нью-йоркском автосалоне на прошлой неделе японский автопроизводитель объявил, что собирается изменить антидизельные настроения последнего времени, установив новый 2,2-литровый дизельный двигатель на компактный кроссовер CX-5 2019 года.

Представьте себе полноразмерный пикап, работающий всего на двух цилиндрах. Это то, на что способен Chevrolet Silverado, благодаря добавлению в новый 2,7-литровый турбодвигатель электромеханического регулируемого распределительного вала и функции активного управления подачей топлива (Active Fuel Management). В целом, двигатель предлагает 17 различных схем отключения цилиндров, что позволяет ему справиться практически с любой ситуацией при движении. «Это все равно, что иметь разные двигатели для работы на низких и высоких оборотах», — отметил главный инженер двигателя Том Саттер в пресс-релизе. «Профиль распределительного вала и синхронизация клапанов полностью отличаются на низких и высоких скоростях». Двигатель мощностью 310 л.с. и крутящим моментом 471.8 Нм заменяет 4,3-литровый V-6 на Silverado.

Производитель суперкаров Koenigsegg Automotive AB возлагает большие надежды на технологию бескулачкового двигателя, которую он представил на концептуальном автомобиле в 2016 году. Известная как FreeValve, эта технология использует «пневмо-гидравлические-электронные» приводы для управления процессом сгорания в каждом цилиндре. Koenigsegg говорит, что с помощью этих приводов, вместо кулачковых валов, можно более точно управлять процессом сгорания в каждом цилиндре. FreeValve также позволяет люксовому автопроизводителю отказаться от других дорогостоящих автозапчастей, включая корпус дроссельной заслонки, кулачковый привод, ГРМ, выпускной клапан, предкаталитический преобразователь и систему непосредственного впрыска. По слухам, компания готовит технологию для установки на суперкар стоимостью 1,1 миллиона долларов, который будет выпущен в 2020 году. В интервью Top Gear основатель компании Кристиан фон Кёнигсегг (Christian von Koenigsegg) заявил, что FreeValve позволит ему построить автомобиль с нулевым уровнем выбросов и двигателем внутреннего сгорания. «Идея заключается в том, чтобы доказать миру, что даже двигатель внутреннего сгорания может быть полностью СО2-нейтральным», — сказал он.

Говорят, что двигатель Nissan VC-Turbo является первым в мире готовым к производству двигателем с переменным коэффициентом сжатия. VC-Turbo разрабатывался более 20 лет, и он использует усовершенствованную многозвеньевую систему для изменения коэффициента сжатия. Во время работы угол наклона многозвеньевых рычагов варьируется, что приводит к регулировке верхней мертвой точки поршней. С изменением положения поршня меняется и степень сжатия. Результат — производительность по требованию. Высокий коэффициент сжатия обеспечивает большую эффективность, в то время как низкий коэффициент сжатия увеличивает мощность и крутящий момент. VC-Turbo доступен в Nissan Altima 2019.

3,6-литровый двигатель Pentastar от Fiat Chrysler Automobiles является примером внимательного отношения к деталям и политики постоянного совершенствования. Двигатель использует две ключевые особенности для повышения топливной экономичности и крутящего момента. Первая из них — это регулируемый подъем клапана (VVL). VVL позволяет двигателю оставаться в режиме пониженного подъема до тех пор, пока водитель не потребует больше мощности. Затем он реагирует переключением в режим повышенного подъема для улучшения сгорания топлива. Вторая инновация — это рециркуляция отработавших газов с охлаждением, которая, как говорят, сокращает выбросы вредных веществ, снижает потери при прокачке и позволяет работать без стука при высоких нагрузках двигателя. Эти особенности обеспечивают Pentastar увеличение экономии топлива на 6%, при этом крутящий момент увеличивается на 14,9%. Fiat Chrysler также отмечает, что эти улучшения наблюдаются при оборотах двигателя ниже 3000 об/мин, когда повышенный крутящий момент необходим больше всего.

В наши дни производительность двигателя — это не только крутящий момент и лошадиные силы. Речь идет и об эффективности. Toyota доказала это в 2018 году, представив 2,5-литровый четырехцилиндровый двигатель Dynamic Force, который, по имеющимся данным, обладает тепловым КПД около 40%. Это большой шаг вперед, учитывая, что большинство современных двигателей приближаются к 30%, что, в свою очередь, означает, что 70% энергии сгорания топлива теряется в виде тепла. Toyota добилась этого с помощью ряда современных усовершенствований, включая длинный ход, высокий коэффициент сжатия, форсунки с двойными распылителями, интеллектуальную регулировку синхронизации клапанов и непосредственный впрыск топлива. Результат: Экономия топлива на трассе 2018 Camry составляет 29 и 41 мг, что на 26% выше по сравнению с предыдущей моделью.

1,5-литровый двигатель EcoBoost от Ford заслуживает внимания, потому что это еще один пример «умного» маленького двигателя, способного управлять относительно большим автомобилем с помощью двух цилиндров. Рядный трехцилиндровый EcoBoost выполняет эту задачу при отключении цилиндра, который определяет ситуацию, когда один цилиндр не нужен, и поэтому автоматически отключает его. Система может отключить или активировать цилиндр всего за 14 миллисекунд для поддержания плавного хода. Однако даже на трех цилиндрах она способна выдать 180 л.с. и 240 Нм крутящего момента (при сгорании 93-октанового топлива). Этот двигатель установлен в европейском Ford Fusion и американском внедорожнике Ford Escape, способном буксировать до 900 кг.

В 2018 году компания Cadillac еще больше увлеклась турбокомпрессорами, представив двигатель Twin Turbo V-8. Twin Turbo использует «горячую V-образную конфигурацию» — то есть устанавливает турбокомпрессоры в верхней части двигателя, в ложбине между головками. Таким образом, инженеры Cadillac утверждают, что они уменьшили общий размер конструкции двигателя и практически ликвидировали отставание турбокомпрессоров. Использованный на Cadillac CT6 V-Sport, новый двигатель выдает примерно 550 л. с. и обеспечивает потрясающий крутящий момент в 850.1 Нм.

Для тех, у кого есть страсть к старомодным лошадиным силам и крутящему моменту, у Dodge есть ответ в виде 6,2-литрового высокомощного двигателя HEMI V-8. Двигатель, выдающий 797 л.с. и 958.6 Нм крутящего момента, большую часть своей мощности черпает из 2,7-литрового нагнетателя — самого большого заводского нагнетателя среди всех серийных автомобилей. Наряду с нагнетателем в двигателе используются высокопрочные шатуны и поршни, высокоскоростной клапанный механизм и два двухступенчатых топливных насоса. 6,2-литровый двигатель, используемый в Dodge Challenger Hellcat Redeye, способен принимать огромное количество бензина в высокопроизводительном режиме, опорожняя бак чуть менее чем за 11 минут. Хорошая новость, однако, в том, что при нормальных дорожных условиях Hellcat все еще находится на отметке 10.69 л/100 км. Dodge хвастается тем, что Hellcat является самым быстрым в отрасли маслкаром с разгоном 0-100 км/ч в 3,4 секунды.

Поговорим о другой крупной инновации в двигателе 2018 года: Mazda выпустила двигатель SkyActiv-X, который, как говорят, является первым в мире бензиновым двигателем, использующим воспламенение при сжатии. Соединив две классические технологии, инженеры Mazda утверждают, что они объединили высокую тягу бензинового двигателя с эффективностью, крутящим моментом и реакцией дизеля. Ключом к их реализации является технология, известная под названием Spark Controlled Compression Ignition, которая максимально увеличивает зону, в которой возможно воспламенение от сжатия, и обеспечивает плавный переход между воспламенением от сжатия и воспламенением от искры. При внедрении двигателя прошлой осенью Mazda сообщила удивительные цифры: крутящий момент повысился на 10-30%, а КПД — на 20-30% по сравнению с предшественником. Mazda говорит, что двигатель также предлагает большую свободу в выборе передаточных чисел, что еще больше увеличивает экономию топлива и ходовые качества двигателя.

Подписывайтесь на каналы:
@AutomotiveRu — новости автоиндустрии, железо и психология вождения
@TeslaHackers — сообщество российских Tesla-хакеров, прокат и обучение дрифту на Tesla

О компании ИТЭЛМА

Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.

Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.

У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.

Читать еще полезные статьи:

• [Прогноз] Транспорт будущего (краткосрочный, среднесрочный, долгосрочный горизонты)
• Лучшие материалы по взлому автомобилей с DEF CON 2018-2019 года
• [Прогноз] Motornet — сеть обмена данными для роботизированного транспорта
• Компании потратили 16 миллиардов долларов на беспилотные автомобили, чтобы захватить рынок в 8 триллионов
• Камеры или лазеры
• Автономные автомобили на open source
• McKinsey: переосмысляем софт и архитектуру электроники в automotive
• Очередная война операционок уже идет под капотом автомобилей
• Программный код в автомобиле
• В современном автомобиле строк кода больше чем…

какие существуют двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принципы работы

04. 04.2017

Двигателем внутреннего сгорания называется разновидность тепловой машины, которая преобразует энергию, содержащуюся в топливе, в механическую работу. В большинстве случае используется газообразное или жидкое топливо, полученное путем переработки углеводородов. Извлечение энергии происходит в результате его сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания имеют ряд недостатков. К ним относятся следующие:

• сравнительно большие массогабаритные показатели затрудняют их перемещение и сужают сферу использования;
• высокий уровень шума и токсичные выбросы приводят к тому, что устройства, работающие от двигателей внутреннего сгорания, могут лишь со значительными ограничениями использоваться в закрытых, плохо вентилируемых помещениях;
• сравнительно небольшой эксплуатационный ресурс вынуждает довольно часто ремонтировать двигатели внутреннего сгорания, что связано с дополнительными затратами;
• выделение в процессе работы значительного количества тепловой энергии обуславливает необходимость создания эффективной системы охлаждения;
• из-за многокомпонентной конструкции двигатели внутреннего сгорания сложны в производстве и недостаточно надежны;
• данный вид тепловой машины отличается высоким потреблением горючего.

Несмотря на все перечисленные недостатки двигатели внутреннего сгорания пользуются огромной популярностью, в первую очередь – благодаря своей автономности (она достигается за счет того, что топливо содержит в себе значительно большее количество энергии по сравнению с любой аккумуляторной батареей). Одной из основных областей их применения является личный и общественный транспорт.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Когда речь идет о двигателях внутреннего сгорания, следует иметь в виду, что на сегодняшний день существует несколько их разновидностей, которые отличаются друг от друга конструктивными особенностями.

1. Поршневые двигатели внутреннего сгорания характеризуются тем, что сгорание топлива происходит в цилиндре. Именно он отвечает за преобразование той химической энергии, которая содержится в горючем, в полезную механическую работу. Чтобы добиться этого, поршневые двигатели внутреннего сгорания оснащаются кривошипно-ползунным механизмом, с помощью которого и происходит преобразование.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания принято делить на несколько разновидностей (основанием для классификации служит используемое ими топливо).

В бензиновых карбюраторных двигателях образование топливовоздушной смеси происходит в карбюраторе (первый этап). Далее в дело вступают распыляющие форсунки (электрические или механические), местом расположения которых служит впускной коллектор. Готовая смесь бензина и воздуха поступает в цилиндр.

Там происходит ее сжатие и поджиг с помощью искры, которая возникает при прохождении электричества между электродами специальной свечи. В случае с карбюраторными двигателями топливовоздушной смеси присуща гомогенность (однородность).

Бензиновые инжекторные двигатели используют в своей работе иной принцип смесеобразования. Он основан на непосредственном впрыске горючего, которое напрямую поступает в цилиндр (для этого используются распыляющие форсунки, называемые также инжектором). Таким образом, образование топливовоздушной смеси, как и ее сгорание, осуществляется непосредственно в самом цилиндре.

Дизельные двигатели отличаются тем, что используют для своей работы особую разновидность топлива, называемую «дизельное» или просто «дизель». Для его подачи в цилиндр используется высокое давление. По мере того, как в камеру сгорания подаются все новые порции горючего, прямо в ней происходит процесс образования топливовоздушной смеси и ее моментальной сгорание. Поджиг топливовоздушной смеси происходит не с помощью искры, а под действием нагретого воздуха, который подвергается в цилиндре сильному сжатию.

Топливом для газовых двигателей служат различные углеводороды, которые при нормальных условиях пребывают в газообразном состоянии. Из этого следует, что для их хранения и использования требуется соблюдать особые условия:

• Сжиженные газы поставляются в баллонах различного объема, внутри которых с помощью насыщенных паров создается достаточное давление, но не превышающее 16 атмосфер. Благодаря этому горючее находится в жидком состоянии. Для его перехода в пригодную для сжигания жидкую фазу используется специальное устройство, называемое испарителем. Понижение давления до уровня, который примерно соответствует нормальному атмосферному давлению, осуществляется в соответствии со ступенчатым принципом. В его основе лежит использование так называемого газового редуктора. После этого топливовоздушная смесь поступает во впускной коллектор (перед этим она должна пройти через специальный смеситель). В конце этого достаточно сложного цикла горючее подается в цилиндр для последующего поджига, осуществляемого с помощью искры, которая возникает при прохождении электричества между электродами специальной свечи.
• Хранение сжатого природного газа осуществляется при гораздо более высоком давлении, которое находится в диапазоне от 150 до 200 атмосфер. Единственное конструктивное отличие данной системы от той, что описана выше, заключается в отсутствии испарителя. В целом принцип остается тем же.

Генераторный газ получают путем переработки твердого топлива (угля, горючих сланцев, торфа и т.п.). По своим основным техническим характеристикам он практически ничем не отличается от других видов газообразного топлива.

Газодизельные двигатели

Данная разновидность двигателей внутреннего сгорания отличается тем, что приготовление основной порции топливовоздушной смеси осуществляется аналогично газовым двигателям. Однако для ее поджига используется не искра, получаемая при помощи электрической свечи, а запальная порция топлива (ее впрыск в цилиндр осуществляется тем же способом, как и в случае с дизельными двигателями).

Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания

К данному классу относится комбинированная разновидность данных устройств. Ее гибридный характер находит свое отражение в том, что конструкция двигателя включает в себя сразу два важных конструктивных элемента: роторно-поршневую машину и одновременно — лопаточную машину (она может быть представлена компрессором, турбиной и т.д.). Обе упомянутых машины на равных принимают участие в рабочем процессе. В качестве характерного примера таких комбинированных устройств можно привести поршневой двигатель, оснащенный системой турбонаддува.

Особую категорию составляют двигатели внутреннего сгорания, для обозначения которых используется английская аббревиатура RCV. От других разновидностей они отличаются тем, что газораспределение в данном случае основывается на вращении цилиндра. При совершении вращательного движения топливо по очереди проходит выпускной и впускной патрубок. Поршень отвечает за движение в возвратно-поступательном направлении.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания: циклы работы

Для классификации поршневых двигателей внутреннего сгорания также используется принцип их работы. По данному показателю двигатели внутреннего сгорания делятся на две большие группы: двух- и четырехтактные.

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания используют в своей работе так называемый цикл Отто, который включает в себя следующие фазы: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Следует добавить, что рабочий ход состоит не из одного, как остальные фазы, а сразу из двух процессов: сгорание и расширение.

Наиболее широко применяемая схема, по которой осуществляется рабочий цикл в двигателях внутреннего сгорания, состоит из следующих этапов:

1. Пока происходит впуск топливовоздушной смеси, поршень перемещается между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ). В результате этого внутри цилиндра освобождается значительное пространство, в которое и поступает топливовоздушная смесь, заполняя его.

Всасывание топливовоздушной смеси осуществляется за счет разности давления, существующего внутри цилиндра и во впускном коллекторе. Толчком к поступлению топливовоздушной смеси в камеру сгорания служит открытие впускного клапана. Этот момент принято обозначать термином «угол открытия впускного клапана» (φа).

При этом следует иметь в виду, что в цилиндре на этот момент уже содержаться продукты, оставшиеся после сгорания предыдущей порции горючего (для их обозначения используется понятие остаточных газов). В результате их смешения с топливовоздушной смесью, называемой на профессиональном языке свежим зарядом, образуется рабочая смесь. Чем успешнее протекает процесс ее приготовления, тем более полно сгорает топливо, выделяя при этом максимум энергии.

В результате растет кпд двигателя. В связи с этим еще на этапе конструирования двигателя особое внимание уделяется правильному смесеобразованию. Ведущую роль играют различные параметры свежего заряда, включая его абсолютную величину, а также удельную долю в общем объеме рабочей смеси.

2. При переходе к фазе сжатия оба клапана закрываются, а поршень совершает движение в обратном направлении (от НМТ к ВМТ). В результате надпоршневая полость заметно уменьшается в объеме. Это приводит к тому, что содержащаяся в ней рабочая смесь (рабочее тело) сжимается. За счет этого удается добиться того, что процесс сгорания топливовоздушной смеси протекает более интенсивно. От сжатия также зависит такой важнейший показатель, как полнота использования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании горючего, а следовательно – и эффективность работы самого двигателя внутреннего сгорания.

Для увеличения этого важнейшего показателя конструкторы стараются проектировать устройства, обладающие максимально возможной степенью сжатия рабочей смеси. Если мы имеем дело с ее принудительным зажиганием, то степень сжатия не превышает 12. Если же двигатель внутреннего сгорания работает на принципе самовоспламенения, то упомянутый выше параметр обычно находится в диапазоне от 14 до 22.

3. Воспламенение рабочей смеси дает старт реакции окисления, которая происходит благодаря кислороду воздуха, входящему в ее состав. Этот процесс сопровождается резким ростом давления по всему объему надпоршневой полости. Поджиг рабочей смеси осуществляется при помощи электрической искры, которая имеет высокое напряжение (до 15 кВ).

Ее источник располагается в непосредственной близости от ВМТ. В этой роли выступает электрическая свеча зажигания, которую вворачивают в головку цилиндра. Однако в том случае, если поджиг топливовоздушной смеси осуществляется посредством горячего воздуха, предварительно подвергнутого сжатию, наличие данного конструктивного элемента является излишним.

Вместо него двигатель внутреннего сгорания оснащается особой форсункой. Она отвечает за поступление топливовоздушной смеси, которая в определенный момент подается под высоким давлением (оно может превышать 30 Мн/м²).

4. При сгорании топлива образуются газы, которые имеют очень высокую температуру, а потому неуклонно стремятся к расширению. В результате поршень вновь перемещается от ВМТ к НМТ. Это движение называется рабочим ходом поршня. Именно на этом этапе происходит передача давления на коленчатый вал (если быть точнее, то на его шатунную шейку), который в результате проворачивается. Этот процесс происходит при участии шатуна.

5. Суть завершающей фазы, которая называется впуском, сводится к тому, что поршень совершает обратное движение (от НМТ к ВМТ). К этому моменту открывается второй клапан, благодаря чему отработавшие газы покидают внутреннее пространство цилиндра. Как уже говорилось выше, части продуктов сгорания это не касается. Они остаются в той части цилиндра, откуда поршень их не может вытеснить. За счет того, что описанный цикл последовательно повторяется, достигается непрерывный характер работы двигателя.

Если мы имеем дело с одноцилиндровым двигателем, то все фазы (от подготовки рабочей смеси до вытеснения из цилиндра продуктов сгорания) осуществляется за счет поршня. При этом используется энергия маховика, накапливаемая им в течение рабочего хода. Во всех остальных случаях (имеются в виду двигатели внутреннего сгорания с двумя и более цилиндрами) соседние цилиндры дополняют друг друга, помогая выполнять вспомогательные ходы. В связи с этим из их конструкции без малейшего ущерба может быть исключен маховик.

Чтобы было удобнее изучать различные двигатели внутреннего сгорания, в их рабочем цикле вычленяют различные процессы. Однако существует и противоположный подход, когда сходные процессы объединяют в группы. Основой для подобной классификации служит положение поршня, которое он занимает в отношении обеих мертвых точек. Таким образом, перемещения поршня образуют тот отправной пункт, отталкиваясь от которого, удобно рассматривать работу двигателя в целом.

Важнейшим понятием является «такт». Им обозначают ту часть рабочего цикла, которая укладывается во временной промежуток, когда поршень перемещается от одной смежной мертвой точки к другой. Такт (а вслед за ним и весь соответствующий ему ход поршня) называется процессом. Он играет роль основного при перемещении поршня, которое происходит между двумя его положениями.

Если переходить к тем конкретным процессам, о которых мы говорили выше (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск), то каждый из них четко приурочен к определенному такту. В связи с этим в двигателях внутреннего сгорания принято различать одноименные такты, а вместе с ними – и ходы поршня.

Выше мы уже говорили о том, что наряду с четырехтактными существуют и двухтактные двигатели. Однако независимо от количества тактов рабочий цикл любого поршневого двигателя состоит из пяти упомянутых выше процессов, а в его основе лежит одна и та же схема. Конструктивные особенности в данном случае не играют принципиальной роли.

Дополнительные агрегаты для двигателей внутреннего сгорания

Важный недостаток двигателя внутреннего сгорания заключается в достаточно узком диапазоне оборотов, в котором он способен развивать значительную мощность. Чтобы компенсировать этот недостаток, двигатель внутреннего сгорания нуждается в дополнительных агрегатах. Самые важные из них – стартер и трансмиссия.

Наличие последнего устройства не является обязательным условием лишь в редких случаях (когда, к примеру, речь идет о самолетах). В последнее время все привлекательнее становится перспектива создать гибридный автомобиль, чей двигатель мог бы постоянно сохранять оптимальный режим работы.

К дополнительным агрегатам, обслуживающим двигатель внутреннего сгорания, относится топливная система, которая осуществляет подачу горючего, а также выхлопная система, необходимая для того, чтобы отводить отработавшие газы.

Каждому, водителю интересно и необходимо знать, как устроен автомобиль, что такое ДВС в машине, из чего состоит двигатель автомобиля и каков у ДВС ресурс.

Отличие двигателей внутреннего сгорания от двигателей внешнего сгорания

ДВС называется так именно потому, что топливо сжигается внутри рабочего органа (цилиндра), промежуточный теплоноситель, например пар, здесь не нужен, как это организовано в паровозах. Если рассматривать паровой двигатель и двигатель, но уже внутреннего сгорания автомобиля, устройство их сходно, это очевидно (на рисунке справа паровой двигатель, слева – ДВС).

Принцип работы одинаков: на поршень, действует какая-то сила. От этого поршень вынужден двигаться вперед или назад (возвратно-поступательно). Эти движения при помощи специального механизма (кривошипного) преобразуются во вращение (колеса у паровоза и коленчатого вала «коленвала» у автомобиля). В двигателях внешнего сгорания нагревается вода, превращаясь в пар, и уже этот пар совершает полезную работу толкая поршень, а в ДВС мы нагреваем воздух внутри (непосредственно в цилиндре)и он (воздух) двигает поршень. От этого коэффициент полезного действия, у ДВС, конечно, выше.

История создания ДВС

История гласит, что первый работающий двигатель внутреннего сгорания коммерческого использования, то есть выпускаемый для продажи, был разработан французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель работал на светильном газе в смеси с воздухом. Причем именно он догадался поджигать эту смесь путем электрической искры. Только в 1864 году документально зафиксирована продажа более 310 таких двигателей. На этом он разбогател. Жан Этьен Ленуар потерял интерес к изобретательству и вскоре(в 1877 году) его моторы были вытеснены более совершенными, на тот момент, двигателями Отто, изобретателя из Германии. Донат Банки (венгерский инженер) в 1893 году произвел настоящую революцию в двигателестроении. Он изобрел карбюратор. С этого момента история не знает бензиновых двигателей без этого устройства. И так продолжалось около 100 лет. На смену ему пришла система непосредственного впрыска, но это уже новейшая история.
Все первые двигатели внутреннего сгорания были только одноцилиндровыми. Увеличение мощности велось путем увеличения диаметра рабочего цилиндра. Только к концу 19-го века появились ДВС с двумя цилиндрами, а в начале 20-го века – четырехцилиндровые. Теперь, повышение мощности производилось уже путем увеличения числа цилиндров. На сегодняшний день можно встретить автомобильный двигатель в 2-мя, 4-мя, 6-ю цилиндрами. Реже 8 и 12. Некоторые спортивные автомобили имеют 24 цилиндра. Расположение цилиндров может быть как рядным, так и V-образным.
Вопреки расхожему мнению ни Готлиб Даймлер, ни Карл Бенц, ни Генри Форд устройство двигателя автомобиля не изменяли кардинально (разве что мелкие доработки), но оказали огромное влияние в автомобилестроение как таковое. Что такое ДВС в авто мы сейчас и рассмотрим.

Общее устройство двигателя внутреннего сгорания

Итак, ДВС состоит из корпуса, в котором все остальные детали монтируются. Чаще всего это блок цилиндров.

На данном рисунке показан один цилиндр без блока. Устройство ДВС направлено на максимально комфортные условия для цилиндров, ведь именно в них производится работа. Цилиндр, это металлическая (чаще всего стальная) труба, в которой двигается поршень. Он обозначен на рисунке цифрой 7. Над цилиндром устанавливается головка цилиндра 1, в которую вмонтированы клапана (5 – впускной и 4 — выпускной), а также свеча зажигания 3 и коромысла 2.
Над клапанами 4 и 5 есть пружины, которые удерживают их в закрытом состоянии. Коромысла при помощи толкателей 14 и распределительного вала 13 открывают клапана в определенный момент (тогда, когда это необходимо). Распределительный вал с кулачками вращается от коленвала 11 через приводные шестерни 12.
Движения поршня 7 преобразуются во вращение коленвала 11 при помощи шатуна 8 и кривошипа. Этим кривошипом служит «колено» на валу (смотри рисунок), именно поэтому вал и называется коленчатым. В связи с тем, что воздействие на поршень происходит не постоянно, а только когда в цилиндре горит топливо. У ДВС есть маховик 9, довольно массивный. Маховик как бы запасает энергию вращения и отдает ее при необходимости.
В любом двигателе много трущихся деталей, для их смазывания используют автомобильное масло. Масло это хранится в картере 10 и специальным насосом подается к трущимся деталям.
Синим цветом, показаны детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Голубым – смесь топлива и воздуха. Серым – свеча зажигания. Красным – выхлопные газы.

Принцип работы ДВС

Разобрав двигатель внутреннего сгорания, его устройство, необходимо уяснить, как взаимодействуют его детали, как он работает. Знать строение еще не все, а вот как взаимодействуют механизмы, в чем преимущество дизельных автомобилей и в чем их недостатки для начинающих (для чайников) очень важно.
Ничего сложного в этом нет. Пошаговым рассмотрением процессов мы постараемся рассказать, как взаимодействуют между собой основные части двигателя при работе. Из какого материала выполнены механические составляющие ДВС.
Все автомобильные двигатели работают на одном принципе: сжигание бензина или дизельного топлива. Для чего? Для получения необходимой нам энергии, конечно. Двигатели автомобилей, иногда говорят – моторы, могут быть двухтактными и четырехтактными. Тактом считается движение поршня либо вверх, либо вниз. Говорят еще от верхней мертвой точки (ВМТ), до нижней (НМТ). Мертвой эта точка называется потому, что поршень как бы замирает на мгновение и начинает движение в обратную сторону.
Итак, в двухтактном двигателе весь процесс (или цикл) происходит за 2 хода поршня, в четырехтактном – за 4. И совершенно не важно, бензиновый это двигатель, дизельный или работающий на газу.
Как ни странно, рассказывать принцип работы лучше на 4-х тактном бензиновом карбюраторном двигателе.

Первый такт — всасывание.

Поршень идет вниз и затягивает за собой смесь из воздуха и топлива. Эта смесь готовится в отдельном устройстве – в карбюраторе. При этом впускной, его еще называют «всасывающий» клапан, конечно, открыт. На рисунке он показан синим.

Следующий, второй такт – сжатие смеси.

Поршень поднимается вверх от НМТ до ВМТ. При этом растет давление и, естественно, температура над поршнем. Но этой температуры недостаточно, для того, чтобы смесь самовоспламенилась. Для этого служит свеча. Она выдает искру в нужный момент. Обычно это 6…8 угловых градусов не доходя до ВМТ. Для начала понимания процесса можно предположить, что искра зажигает смесь точно в верхней точке.

Третий такт – расширение продуктов сгорания.

При сгорании столь энергоемкого топлива, продуктов сгорания в цилиндре очень мало, а вот усилие появляется только потому, что воздух нагрелся при повышении температуры, а значит, расширился, в нашем случае увеличил давление. Именно это давление и совершает нужную работу. Нужно знать, что нагревая воздух на 273 0С, получаем увеличение давления практически в 2 раза. Температура зависит от того сколько топлива сжечь. Максимальная температура внутри рабочего цилиндра может достигать 2500 0С при работе ДВС на полной мощности.

Четвертый такт последний.

После него опять будет первый. Поршень направляется от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт. Цилиндр очищается, выбрасывая все что сгорело, и что не сгорело, в атмосферу.
Что касается дизельного двигателя, то все основные детали с карбюраторным практически одинаковы. Ведь и тот и другой, это двигатель внутреннего сгорания. Исключение составляет смесеобразование. В карбюраторном смесь готовится отдельно, в том самом карбюраторе. А вот в дизельном – смесь готовиться непосредственно в цилиндре, перед сжиганием. Топливо (солярка) подается специальным насосом в определенный момент времени. Зажигание смеси происходит от самовоспламенения. Температура внутри цилиндра в дизеле гораздо выше, чем в карбюраторном ДВС. По этой причине детали там детали мощнее и система охлаждения лучше. Необходимо отметить, что, несмотря на высокую температуру внутри цилиндра, рабочая температура двигателя никогда не повышается выше 90…95 0С. Иногда, детали дизельных двигателей делают из более твердого металла, что позволяет снизить массу, но увеличивает цену ДВС. Однако, коэффициент полезного действия (КПД) в дизельном двигателе выше. То есть он более экономичен и дороговизна деталей себя окупает.
У дизельного ДВС ресурс выше, если соблюдать правила эксплуатации. Особенно часто механизмы дизелей выходят из строя из-за плохого топлива.
Схема работы дизельного двигателя представлена на рисунке слева. В третьем такте подача топлива показана в момент ВМТ, хотя это и не совсем так.
Системы ДВС обеспечивающие их работоспособность практически одинаковы: система смазки, топливная система, система охлаждения и система газообмена. Есть еще несколько, но они не относятся к главным.
Глядя на устройство любого двигателя внутреннего сгорания можно подумать, что все детали выполнены из стали. Это далеко не так. Корпуса бывают и чугунные и выполненные из алюминиевого сплава, а вот поршни из чугуна не делают, они либо стальные, либо из высокопрочного алюминиевого сплава. Зная общее устройство данного двигателя внутреннего сгорания и условия работы его деталей, очевидно, что и клапана и головку цилиндра нужно делать прочными, поскольку они должны выдерживать давление внутри цилиндра более 100 атмосфер. А вот поддон, где собирается масло не несет на себе особой механической нагрузки и выполняется из тонкой листовой стали или алюминия.
Характеристики ДВС
Когда говорят об автомобиле, то обычно, в первую очередь отмечают двигатель внутреннего сгорания, не его устройство, а его мощность. Она (мощность) измеряется как обычно (по-старинке) в лошадиных силах или (по-современному) киловаттах. Безусловно, чем больше мощность, тем быстрее автомобиль набирает скорость. И в принципе экономичность тем выше, тем двигатель машины более мощный. Однако, это только тогда, когда двигатель постоянно работает на номинальных (экономически оправданных) оборотах. Но на малых скоростях (при неиспользовании полной мощности) КПД сильно падает и если на номинальных режимах дизельный двигатель имеет 40…42% КПД, то на малых только 7%. Бензиновый двигатель не может похвастаться даже этим. Использование полной мощности позволяет экономить топливо. По этой причине расход топлива на 100 километров в малолитражных автомобилях ниже. Этот показатель может составлять и 5 и даже 4 л/100 км. Расход у мощных внедорожников может составлять и 10 и даже 15 л/100 км.
Еще одним показателем для автомобилей является разгон от 0 км/час до 100 км/час. Конечно, чем мощнее двигатель, тем быстрее разгон автомобиля, но про экономичность при этом говорить вообще не приходится.
Итак, двигатель внутреннего сгорания устройство которого Вы теперь знаете, совсем не кажется сложным. И на вопрос «ДВС – что это такое?» Вы можете ответить «Это то, что я знаю».

На чтение 10 мин. Просмотров 1k. Опубликовано 17 ноября 2018

Практически все современные автомобили оснащены двигателем внутреннего сгорания , имеющим аббревиатуру ДВС. Несмотря на постоянный прогресс и сегодняшнее стремление автомобильных концернов отказаться от моторов, работающих на нефтепродуктах в пользу более экологичной электроэнергии, львиная доля машин ездит на бензине или дизельном топливе.

Основными принципом ДВС является то, что топливная смесь воспламеняется непосредственно внутри агрегата, а не вне его (как, к примеру, в тепловозах или устаревших паровозах). Такой способ имеет относительно большой коэффициент полезного действия. К тому же, если говорить об альтернативных моторах на электрической тяге, то двигатели внутреннего сгорания обладает рядом неоспоримых преимуществ.

• большой запас хода на одном баке;
• быстрая заправка;
• согласно прогнозам, уже через несколько лет энергосистемы развитых стран не будут в силах погасить потребность в электроэнергии из-за большого количества электрокаров, что может привести к коллапсу.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Непосредственно ДВС отличаются по своему устройству. Все моторы можно разделить на несколько самых популярных категорий в зависимости от принципа работы:

Бензиновые

Наиболее распространенная категория. Работает на главных продуктах нефтепереработки. Основным элементом в таком моторе является цилиндро-поршневая группа или ЦПГ, куда входит: коленвал, шатун, поршень, поршневые кольца и сложный газораспределительный механизм, который обеспечивает своевременное наполнение и продувку цилиндра.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на два типа в зависимости от системы питания:

1. карбюраторные . Устаревшая в условиях современной реальности модель. Здесь формирование топливно-воздушной смеси осуществляется в карбюраторе, а пропорцию воздуха и бензина определяет набор жиклеров. После этого карбюратор подает ТВС в камеру сгорания. Недостатками такого принципа питания является повышенное потребление топлива и прихотливость всей системы. К тому же она сильно зависит от погоды, температуры и прочих условий.
2. инжекторные или впрысковые . Принципы работы двигателя с инжектором кардинально противоположны. Здесь смесь впрыскивается непосредственно во впускной коллектор через форсунки, а затем разбавляется нужным количеством воздуха. За исправную работу отвечает электронный блок управления, который самостоятельно высчитывает нужные пропорции.

Дизельные

Устройство двигателя, работающего на дизеле, кардинально отличается от бензинового агрегата. Поджог смеси здесь происходит не благодаря свечам зажигания, дающим искру в определенный момент, а из-за высокой степени сжатия в камере сгорания. Данная технология имеет свои плюсы (больший КПД, меньшие потери мощности из-за большой высоты над уровнем моря, высокий крутящий момент) и минусы (прихотливость ТНВД к качеству топлива, большие выбросы СО2 и сажи).

Роторно-поршневые двигатели Ванкеля

Данный агрегат имеет поршень в виде ротора и три камеры сгорания, к каждой из которых подведена свеча зажигания. Теоретически ротор, движущийся по планетарной траектории, каждый такт совершает рабочий ход. Это позволяет существенно повысить КПД и увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. На практике это сказывается гораздо меньшим ресурсом. На сегодняшний день только автомобильная компания Mazda делает такие агрегаты.

Газотурбинные

Принцип работы ДВС такого типа заключается в том, что тепловая энергия переходит в механическую, а сам процесс обеспечивает вращение ротора, приводящего в движения вал турбины. Подобные технологии используются в авиационном строительстве.

Любой поршневой ДВС (самые распространенные в современных реалиях) имеет обязательный набор деталей. К таким частям относится:

1. Блок цилиндров , внутри которого двигаются поршни и происходит сам процесс;
2. ЦПГ : цилиндр, поршни, поршневые кольца;
3. Кривошипно-шатунный механизм . К нему относится коленвал, шатун, «пальцы» и стопорные кольца;
4. ГРМ . Механизм с клапанами, распределительными валами или «лепестками» (для 2-х тактных двигателей), который обеспечивает корректную подачу топлива в нужный момент;
5. Cистемы впуска . О них говорилось выше – к ней относятся карбюраторы, воздушные фильтры, инжекторы, топливный насос, форсунки;
6. Системы выпуска . Удаляет отработанные газы из камеры сгорания, а также снижает шумность выхлопа;

Принцип работы ДВС

В зависимости от своего устройства, двигатели можно разделить на четырехтактные и двухтактные. Такт – есть движение поршня от своего нижнего положения (мертвая точка НМТ) до верхнего положения (мертвая точка ВМТ). За один цикл двигатель успевает наполнить камеры сгорания топливом, сжать и поджечь его, а также очистить их. Современные ДВС делают это за два или четыре такта.

Принцип работы двухтактного ДВС

Особенностью такого мотора стало то, что весь рабочий цикл происходит всего за два движения поршня. При движении вверх создается разреженное давление, которое засасывает топливную смесь в камеру сгорания. Вблизи ВМТ поршень перекрывает впускной канал, а свеча зажигания поджигает топливо. Вторым тактом следует рабочий ход и продувка. Выпускной канал открывается после прохождения части пути вниз и обеспечивает выход отработанных газов. После этого процесс возобновляется по новой.

Теоретически, преимуществом такого мотора более высокая удельная мощность. Это логично, ведь сгорание топлива и рабочий такт происходит в два раза чаще. Соответственно, мощность такого двигателя может быть в два раза больше. Но эта конструкция имеет массу проблем. Из-за больших потерь при продувке, большого расхода топлива, а также сложностей в расчетах и «норовистой» работе двигателя, эта технология сегодня используется только на малокубатурной технике.

Интересно, что полвека назад активно велись разработки дизельного двухтактного ДВС. Процесс работы практически не отличался от бензинового аналога. Однако, несмотря на преимущества такого мотора, от него отказались из-за ряда недостатков.

Основным минусом стал огромный перерасход масла. Из-за комбинированной системы смазки топливо попадало в камеру сгорания вместе с маслом, которое потом попросту выгорало или удалялось через выпускную систему. Большие тепловые нагрузки также требовали более громоздкой системы охлаждения, что увеличивало габариты мотора. Третьим минусом стал большой расход воздуха, который вел к преждевременному износу воздушных фильтров.

Четырёхтактный ДВС

Мотор, где рабочий цикл занимает четыре хода поршня, называется четырехтактным двигателем.

1. Первый такт – впуск . Поршень двигается из верхней мертвой точки. В этот момент ГРМ открывает впускной клапан, через который топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания. В случае с карбюраторными агрегатами поступление может осуществляться за счет разрежения, а инжекторные двигателя впрыскивают топливо под давлением.
2. Второй такт – сжатие . Далее поршень движется из нижней мертвой точки вверх. К этому моменту впускной клапан закрыт, а смесь постепенно сжимается в полости камеры сгорания. Рабочая температура поднимается до отметки 400 градусов.
3. Третий такт – рабочий ход поршня . В ВМТ свеча зажигания (или большая степень сжатия, если речь идет о дизеле) поджигает топливо и толкает поршень с коленчатым валом вниз. Это основной такт во всем цикле работы двигателя.
4. Четвертый такт – выпуск . Поршень снова движется вверх, выпускной клапан открывается, а из камеры сгорания удаляются отработанные газы.

Дополнительные системы ДВС

Независимо от того, из чего состоит двигатель, у него должны быть вспомогательные системы, которые способны обеспечить его исправную работу. К примеру, клапаны должны открываться в нужное время, в камеры поступать нужное количество топлива в определенной пропорции, вовремя подаваться искра и т.д. Ниже рассмотрены основные части, способствующие корректной работе.

Система зажигания

Эта система отвечает за электрическую часть в вопросе воспламенения топлива. К основным элементам относится:

• Элемент питания . Основным источником питания является аккумулятор. Он обеспечивает вращение стартера на выключенном двигателе. После этого в работу включается генератор, который питает двигатель, а также подзаряжает саму аккумуляторную батарею через реле зарядки.
• Катушка зажигания . Устройство, которое передает одномоментный заряд непосредственно на свечу зажигания. В современных автомобилях количество катушек равносильно количеству цилиндров, которые работают в двигателе.
• Коммутатор или распределитель зажигания . Специальной «умное» электронное устройство, которое определяет момент подачи искры.
• Свеча зажигания . Важный элемент в бензиновом ДВС, который обеспечивает своевременное воспламенение топливно-воздушной смеси. Продвинутые двигатели имеют по две свечи на цилиндр.

Впускная система

Смесь должна вовремя поступать в камеры сгорания. За этот процесс отвечает впускная система. К ней относится:

• Воздухозаборник . Патрубок, специально выведенный в место, недоступное для воды, пыли или грязи. Через него осуществляется забор воздуха, который потом попадает в двигатель;
• Воздушный фильтр . Сменная деталь, которая обеспечивает очистку воздуха от грязи и исключает попадание посторонних материалов в камеру сгорания. Как правило, современные автомобили обладают сменными фильтрами из плотной бумаги или промасленного поролона. На более архаичных моторах встречаются масляные воздушные фильтры.
• Дроссель . Специальная заслонка, которая регулирует количество воздуха, попадающего в впускной коллектор. На современной технике действует посредством электроники. Сначала водитель нажимает на педаль газа, а потом электронная система обрабатывает сигнал и следует команде.
• Впускной коллектор . Патрубок, который распределяет топливно-воздушную смесь по различным цилиндрам. Вспомогательными элементами в этой системе являются впускные заслонки и усилители.

Топливная систем

Принцип работы любого ДВС подразумевает своевременное поступление топлива и ее бесперебойную подачу. В комплекс также входит несколько основных элементов:

• Топливный бак . Резервуар, где хранится топливо. Как правило, располагается в максимально безопасном месте, вдали от мотора и сделан из негорючего материала (ударопрочный пластик). В нижней его части установлен бензонасос, который осуществляет забор топлива.
• Топливопровод . Система шлангов, ведущая от топливного бака непосредственно к двигателю внутреннего сгорания.
• Прибор образования смеси . Устройство, где смешиваются топливо и воздух. Об этом пункте уже упоминалось выше – за эту функцию может отвечать карбюратор или инжектор. Основным требованием является синхронная и своевременная подача.
• Головное устройство в инжекторных двигателях, которое определяет качество, количество и пропорции образования смеси.

Выхлопная система

В ходе того, как работает двигатель внутреннего сгорания, образуются выхлопные газы, которые необходимо выводить из мотора. Для правильной работы эта система обязана иметь следующие элементы:

• Выпускной коллектор . Устройство из тугоплавкого металла с высокой устойчивостью к температурам. Именно в него первоначально поступают выхлопные газы из двигателя.
• Приемная труба или штаны . Деталь, обеспечивающая транспортировку выхлопных газов далее по тракту.
• Резонатор . Устройство, снижающее скорость движения выхлопных газов и погашение их температуры.
• Катализатор . Предмет для очистки газов от СО2 или сажевых частиц. Здесь же располагается лямда-зонд.
• Глушитель . «Банка», имеющая ряд внутренних элементов, предназначенных для многократного изменения направления выхлопных газов. Это приводит к снижению их шумности.

Система смазки

Работа двигателя внутреннего сгорания будет совсем недолгой, если детали не будут обеспечиваться смазкой. Во всей технике используется специальное высокотемпературное масло, обладающее собственными характеристиками вязкости в зависимости от режимов эксплуатации мотора. Ко всему, масло предотвращает перегрев, обеспечивает удаление нагара и появление коррозии.

Для поддержания исправности системы предназначены следующие элементы:

• Поддон картера . Именно сюда заливается масло. Это основной резервуар для хранения. Контролировать уровень можно при помощи специального щупа.
• Масляный насос . Находится вблизи нижней точки поддона. Обеспечивает циркуляцию жидкости по всему мотору через специальные каналы и его возвращение обратно в картер.
• Масляный фильтр . Гарантирует очистку жидкости от пыли, металлической стружки и прочих абразивных веществ, попадающих в масло.
• Радиатор . Обеспечивает эффективное охлаждение до положенных температур.

Система охлаждения

Еще один элемент, который необходим для мощных двигателей внутреннего сгорания. Он обеспечивает охлаждение деталей и исключает возможность перегрева. Состоит из следующих деталей:

• Радиатор . Специальный элемент, имеющий «сотовую» структуру. Является отличным теплообменником и эффективно отдает тепло, гарантируя охлаждение антифриза.
• Вентилятор . Дополнительный элемент, дующий на радиатор. Включается тогда, когда естественный поток набегающего воздуха уже не может обеспечить эффективное отведение тепла.
• Помпа . Насос, который помогает жидкости циркулировать по большому или малому кругу системы (в зависимости от ситуации).
• Термостат . Клапан, который открывает заслонку, пуская жидкость по нужному кругу. Работает совместно с датчиком температуры движка и охлаждающей жидкости.

Заключение

Первый двигатель внутреннего сгорания появился еще очень давно – почти полтора столетия назад. С тех пор было сделано огромное количество разных нововведений или интересных технических решений, которые порой меняли вид мотора до неузнаваемости. Но общий принцип работы двигателя внутреннего сгорания оставался прежним. И даже сейчас, в эпоху борьбы за экологию и постоянно ужесточающийся норм по выбросу СО2, электромобили все еще не в силах составить серьезную конкуренцию машинам с ДВС. Бензиновые автомобили и сейчас живее всех живых, а мы живем в золотую эпоху автомобилестроения.

Ну а для тех, кто готов погрузиться в тему еще глубже, у нас есть отличное видео:

Все двигатели преобразуют какую-нибудь энергию в работу. Двигатели бывают разные – электрические, гидравлические, тепловые и т. д., в зависимости от того, какой вид энергии они преобразуют в работу. ДВС — двигатель внутреннего сгорания, это тепловой двигатель, в котором в полезную работу преобразуется теплота сгорающего в рабочей камере топлива, внутри двигателя. Также существуют двигателя с внешним сгоранием — это реактивные двигатели самолётов, ракет и т.д. в этих двигателях сгорание внешнее, поэтому они называются двигателями с внешним сгоранием.

Но простой обыватель чаще сталкивается с двигателем автомобиля и понимают под двигателем именно поршневой двигатель внутреннего сгорания. В поршневом ДВС, сила давления газов, возникающая при сгорании топлива в рабочей камере, воздействует на поршень, который совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре двигателя и передаёт усилие на кривошипно-шатунный механизм, который преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Но это очень упрощенный взгляд на ДВС. На самом деле, в ДВС сосредоточены сложнейшие физические явления, пониманию которых посвятили себя многие выдающиеся ученые. Чтобы ДВС работал, в его цилиндрах, сменяя друг друга, происходят такие процессы, как подача воздуха, впрыск и распыление топлива, его смешивание с воздухом, воспламенение образовавшейся смеси, распространение пламени, удаление отработавших газов. На каждый процесс отводится несколько тысячных долей секунды. Добавьте к этому процессы, которые протекают в системах ДВС: теплообмен, течение газов и жидкостей, трение и износ, химические процессы нейтрализации отработавших газов, механические и тепловые нагрузки. Это далеко не полный перечень. И каждый из процессов должен быть организован наилучшим образом. Ведь из качества протекающих в ДВС процессов складывается качество двигателя в целом – его мощность, экономичность, шумность, токсичность, надежность, стоимость, вес и размеры.

Читайте также

Двигателя внутреннего сгорания бывают разные: , бензиновые, со смешенным питанием, и т.д. и это далеко не полный список! Как видите, вариантов двигателей внутреннего сгорания очень много, но если стоит затронуть классификацию ДВС, то для подробного рассмотрения всего объёма материала понадобится минимум 20-30 страниц — большой объём, не так ли? И это только классификация. ..

Принципиальный ДВС автомобиля НИВА

Ни одна область деятельности несравнима с поршневыми ДВС по масштабам, количеству людей занятых в разработке, производстве и эксплуатации. В развитых странах деятельность четверти самодеятельного населения прямо или косвенно связана с поршневым двигателестроением. Двигателестроение, как исключительно наукоемкая область, определяет и стимулирует развитие науки и образования. Общая мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания составляет 80 – 85% мощности всех энергоустановок мировой энергетики. На автомобильном, железнодорожном, водном транспорте, в сельском хозяйстве, строительстве, средствах малой механизации, ряде других областей, поршневой ДВС как источник энергии пока не имеет должной альтернативы. Мировое производство только автомобильных двигателей непрерывно увеличивается, превысив 60 миллионов единиц в год. Количество производимых в мире малоразмерных двигателей также превышает десятки миллионов в год. Даже в авиации поршневые двигатели доминируют по суммарной мощности, количеству моделей и модификаций и количеству установленных на самолеты двигателей. В мире эксплуатируется несколько сотен тысяч самолетов с поршневыми ДВС (бизнес-класса, спортивных, беспилотных и т. д.). В США на долю поршневых двигателей приходится около 70% мощности всех двигателей, установленных на гражданских летательных аппаратах.

Но со временем всё меняется и скоро мы увидим и будем эксплуатировать принципиально другие типы двигателей, которые будет иметь высокие эксплуатационные показатели, высокий КПД, простота конструкции и главное — экологичность. Да, всё верно, главным минусом двигателя внутреннего сгорания является его экологическая характеристика. Как бы не оттачивали работу ДВС, какие бы системы не внедряли, он всё равно оказывается существенное влияние на наше здоровье. Да, теперь можно с уверенностью сказать, что существующая технология моторостроения чувствует «потолок» — это такое состояние, когда та, или иная технология полностью исчерпала свои возможность, полностью выжато, всё что можно было сделать — уже сделано и с точки зрения экологии принципиально НИЧЕГО уже не изменить в существующих типах ДВС. Стоит вопрос: нужно полностью менять принцип работы двигателя, его энергоноситель (нефтяные продукты) на что-то новое, принципиально иное (). Но, к сожалению, это дело не одного дня или даже года, нужны десятилетия…

Пока ещё не одно поколение ученых и конструкторов будут исследовать и совершенствовать старую технологию постепенно подходя всё ближе и ближе к стенке, через которую уже будет невозможно перескочить (физически это не возможно). Еще очень долго ДВС будет давать работу тем, кто его производит, эксплуатирует, обслуживает и продает. Почему? Всё очень просто, но в то же время эту простую истину далеко не все понимают и принимают. Главная причина замедления внедрения принципиально иных технологий — капитализм. Да, как бы это странно не звучало, но именно капитализм, та система, которая как кажется должна быть заинтересована в новых технологиях, тормозит развитие человечества! Всё очень просто — нужно зарабатывать. Как же быть с теми нефтяными вышками, нефтезаводами и доходами?

ДВС «хоронили» неоднократно. В разное время на смену ему приходили электродвигатели на аккумуляторах, топливные элементы на водороде и многое другое. ДВС неизменно побеждал в конкурентной борьбе. И даже проблема исчерпания запасов нефти и газа — это не проблема ДВС. Существует неограниченный источник топлива для ДВС. По последним данным, нефть может восстанавливаться, а что это значит для нас?

Характеристики ДВС

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики — зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рисунок слева), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению — сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике. Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике выше показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это самый распространенный тип двигателя из всех, которые устанавливаются в настоящее время на автомобили. Несмотря на то, что современный двигатель внутреннего сгорания состоит из тысячи частей, принцип его работы весьма прост. В рамках данной статьи мы рассмотрим устройство и принцип работы ДВС.

Внизу страницы смотрите видео, на котором наглядно показано устройство и принцип работы бензинового ДВС.

В каждом двигателе внутреннего сгорания есть цилиндр и поршень. Именно внутри цилиндра ДВС происходит преобразование тепловой энергии, выделяемой при сжигании топлива, в энергию механическую, способную заставить наш автомобиль двигаться. Этот процесс повторяется с частотой несколько сотен раз в минуту, что обеспечивает непрерывное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Принцип работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания

В подавляющем большинстве легковых автомобилей устанавливают четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, поэтому мы и берём его за основу. Чтобы лучше понять принцип устройства бензинового ДВС, предлагаем вам взглянуть на рисунок:

Топливно-воздушная смесь, попадая через впускной клапан в камеру сгорания (такт первый – впуск), сжимается (такт второй – сжатие) и воспламеняется от искры свечи зажигания. При сжигании топлива, под воздействием высокой температуры в цилиндре двигателя образуется избыточное давление, заставляющее поршень двигаться вниз к так называемой нижней мертвой точке (НМТ), совершая при этом такт третий – рабочий ход. Перемещаясь во время рабочего хода вниз, с помощью шатуна, поршень приводит во вращение коленчатый вал. Затем, перемещаясь от НМТ к верхней мертвой точке (ВМТ) поршень выталкивает отработанные газы через выпускной клапан в выхлопную систему автомобиля – это четвертый такт (выпуск) работы двигателя внутреннего сгорания.

Такт – это процесс, происходящий в цилиндре двигателя за один ход поршня. Совокупность тактов, повторяющихся в строгой последовательности и с определенной периодичностью, обычно называют рабочим циклом , в данном случае, двигателя внутреннего сгорания.

1. Такт первый — ВПУСК . Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, при этом возникает разряжение и полость цилиндра ДВС заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Смесь, попадая в камеру сгорания, смешивается с остатками отработавших газов. В конце впуска давление в цилиндре составляет 0,07–0,095 МПа, а температура 80-120 ºС.
2. Такт второй – СЖАТИЕ . Поршень движется к ВМТ, оба клапана закрыты, рабочая смесь в цилиндре сжимается, а сжатие сопровождается повышением давления (1,2–1,7 МПа) и температуры (300-400 ºС).
3. Такт третий – РАСШИРЕНИЕ . При воспламенении рабочей смеси в цилиндре ДВС выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура (до 2500 градусов по Цельсию). Под давлением поршень перемещается к НМТ. Давление равно 4–6 МПа.
4. Такт четвертый – ВЫПУСК . Поршень стремится к ВМТ через открытый выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выпускной трубопровод, а затем в окружающую среду. Давление в конце цикла: 0,1–0,12 МПа, температура 600-900 ºС.

И так, вы смогли убедиться, что двигатель внутреннего сгорания устроен не очень сложно. Как говорится, все гениальное – просто. А для большей наглядности рекомендуем посмотреть видео, на котором также очень хорошо показан принцип работы ДВС.

Как работает автомобильный двигатель. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Вот уже около ста лет повсюду в мире основным силовым агрегатом на автомобилях и мотоциклах, тракторах и комбайнах, прочей технике является двигатель внутреннего сгорания. Придя в начале двадцатого века на смену двигателям внешнего сгорания (паровым), он и в веке двадцать первом остаётся наиболее экономически эффективным видом мотора. В данной статье мы подробно рассмотрим устройство, принцип работы различных видов ДВС и его основных вспомогательных систем.

Определение и общие особенности работы ДВС

Главная особенность любого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. В процессе работы химическая и тепловая энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую работу. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, которое образуется в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

В процессе эволюции ДВС выделились следующие, доказавшие свою эффективность, типы данных моторов:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на
• карбюраторные , в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;

• инжекторные , в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
• дизельные , в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.

Технику с прочими видами ДВС можно вносить в Красную книгу. В наше время автомобили с роторно-поршневыми двигателями делает только «Mazda». Опытную серию автомашин с газотурбинным двигателем выпускал «Chrysler», но было это в 60-х годах, и более к этому вопросу никто из автопроизводителей не возвращался. В СССР газотурбинными двигателями оснащались танки «Т-80» и десантные корабли «Зубр», но в дальнейшем решено было отказаться от данного типа моторов. В связи с этим, подробно остановимся на «завоевавших мировое господство» поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Корпус двигателя объединяет в единый организм:

• блок цилиндров , внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни;
• кривошипно-шатунный механизм , который передаёт энергию движения на коленчатый вал;
• газораспределительный механизм , который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов;
• система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси ;
• система удаления продуктов горения (выхлопных газов).

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания в разрезе

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту. Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала.

Определимся в терминологии. Такт — это рабочий процесс, происходящий в двигателе за один ход поршня, точнее, за одно его движение в одном направлении, вверх или вниз. Цикл — это совокупность тактов, повторяющихся в определённой последовательности. По количеству тактов в пределах одного рабочего цикла ДВС подразделяются на двухтактные (цикл осуществляется за один оборот коленвала и два хода поршня) и четырёхтактные (за два оборота коленвала и четыре ходя поршня). При этом, как в тех, так и в других двигателях, рабочий процесс идёт по следующему плану: впуск; сжатие; сгорание; расширение и выпуск.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке.

В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

Сферами практического применения двухтактных двигателей внутреннего сгорания стали мопеды и мотороллеры; лодочные моторы, газонокосилки, бензопилы и т.п. маломощная техника.

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

• Такт первый, впуск . Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия.
• Такт второй, сжатие . При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2-1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия.
• Такт третий, расширение . Топливно-воздушная смесь воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает до 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа.
• Такт четвёртый, выпуск . Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию.

Вспомогательные системы двигателя внутреннего сгорания

Система зажигания является частью электрооборудования машины и предназначена для обеспечения искры , воспламеняющей топливно-воздушную смесь в рабочей камере цилиндра. Составными частями системы зажигания являются:

• Источник питания . Во время запуска двигателя таковым является аккумуляторная батарея, а во время его работы — генератор.
• Включатель, или замок зажигания . Это ранее механическое, а в последние годы всё чаще электрическое контактное устройство для подачи электронапряжения.
• Накопитель энергии . Катушка, или автотрансформатор — узел, предназначенный для накопления и преобразования энергии, достаточной для возникновения нужного разряда между электродами свечи зажигания.
• Распределитель зажигания (трамблёр) . Устройство, предназначенное для распределения импульса высокого напряжения по проводам, ведущим к свечам каждого из цилиндров.

Система зажигания ДВС

— Впускная система

Система впуска ДВС предназначена для бесперебойной подачи в мотор атмосферного воздуха, для его смешивания с топливом и приготовления горючей смеси. Следует отметить, что в карбюраторных двигателях прошлого впускная система состоит из воздуховода и воздушного фильтра. И всё. В состав впускной системы современных автомобилей, тракторов и прочей техники входят:

• Воздухозаборник . Представляет собою патрубок удобной для каждого конкретного двигателя формы. Через него атмосферный воздух всасывается внутрь двигателя, посредством разницы в показателях давления в атмосфере и в двигателе, где при движении поршней возникает разрежение.
• Воздушный фильтр . Это расходный материал, предназначенный для очистки поступающего в мотор воздуха от пыли и твёрдых частиц, их задержки на фильтре.
• Дроссельная заслонка . Воздушный клапан, предназначенный для регулирования подачи нужного количества воздуха. Механически она активируется нажатием на педаль газа, а в современной технике — при помощи электроники.
• Впускной коллектор . Распределяет поток воздуха по цилиндрам мотора. Для придания воздушному потоку нужного распределения используются специальные впускные заслонки и вакуумный усилитель.

Топливная система, или система питания ДВС, «отвечает» за бесперебойную подачу горючего для образования топливно-воздушной смеси. В состав топливной системы входят:

• Топливный бак — ёмкость для хранения бензина или дизтоплива, с устройством для забора горючего (насосом).
• Топливопроводы — комплекс трубок и шлангов, по которым к двигателю поступает его «пища».
• Устройство смесеобразования, то есть карбюратор или инжектор — специальный механизм для приготовления топливно-воздушной смеси и её впрыска в ДВС.
• Электронный блок управления (ЭБУ) смесеобразованием и впрыском — в инжекторных двигателях это устройство «отвечает» за синхронную и эффективную работу по образованию и подаче горючей смеси в мотор.
• Топливный насос — электрическое устройство для нагнетания бензина или солярки в топливопровод.
• Топливный фильтр — расходный материал для дополнительной очистки топлива в процессе его транспортировки от бака к мотору.

Схема топливной системы ДВС

— Система смазки

Предназначение системы смазки ДВС — уменьшение силы трения и её разрушительного воздействия на детали; отведение части излишнего тепла ; удаление продуктов нагара и износа ; защита металла от коррозии . Система смазки ДВС включает в себя:

• Поддон картера — резервуар для хранения моторного масла. Уровень масла в поддоне контролируется не только специальным щупом, но и датчиком.
• Масляный насос — качает масло из поддона и подаёт его к нужным деталям двигателя через специальные просверленные каналы-«магистрали». Под действием силы тяжести масло стекает со смазанных деталей вниз, обратно в поддон картера, накапливается там, и цикл смазки повторяется снова.
• Масляный фильтр задерживает и удаляет из моторного масла твёрдые частицы, образующиеся из нагара и продуктов износа деталей. Фильтрующий элемент всегда меняется на новый вместе с каждой заменой моторного масла.
• Масляный радиатор предназначен для охлаждения моторного масла, с помощью жидкости из системы охлаждения двигателя.

Выхлопная система ДВС служит для удаления отработанных газов и уменьшения шумности работы мотора. В современной технике выхлопная система состоит из следующих деталей (по порядку выхода отработанных газов из мотора):

• Выпускной коллектор. Это система труб из жаропрочного чугуна, которая принимает раскалённые отработанные газы, гасит их первичный колебательный процесс и отправляет далее, в приёмную трубу.
• Приёмная труба — изогнутый газоотвод из огнестойкого металла, в народе именуемый «штанами».
• Резонатор , или, говоря народным языком, «банка» глушителя — ёмкость, в которой происходит разделение выхлопных газов и снижение их скорости.
• Катализатор — устройство, предназначенное для очистки выхлопных газов и их нейтрадизации.
• Глушитель — ёмкость с комплексом специальных перегородок, предназначенных для многократного изменения направления движения потока газов и, соответственно, их шумности.

Выхлопная система ДВС

— Система охлаждения

Если на мопедах, мотороллерах и недорогих мотоциклах до сих пор применяется воздушная система охлаждения двигателя — встречным потоком воздуха, то для более мощной техники её, разумеется, недостаточно. Здесь работает жидкостная система охлаждения, предназначенная для забирания излишнего тепла у мотора и снижения тепловых нагрузок на его детали.

• Радиатор системы охлаждения служит для отдачи избыточного тепла в окружающую среду. Он состоит из большого количества изогнутых аллюминиевых трубок, с рёбрами для дополнительной теплоотдачи.
• Вентилятор предназначен для усиления охлаждающего эффекта на радиатор от встречного потока воздуха.
• Водяной насос (помпа) — «гоняет» охлаждающую жидкость по «малому» и «большому» кругам, обеспечивая её циркуляцию через двигатель и радиатор.
• Термостат — специальный клапан, обеспечивающий оптимальную температуру охлаждающей жидкости путём запуска её по «малому кругу», минуя радиатор (при холодном двигателе) и по «большому кругу», через радиатор — при прогретом двигателе.

Слаженная работа данных вспомогательных систем обеспечивает максимальную отдачу от двигателя внутреннего сгорания и его надёжность.

В заключение необходимо отметить, что в обозримом будущем не предвидится появления достойных конкурентов двигателю внутреннего сгорания. Есть все основания утверждать, что в своём современном, усовершенствованном виде, он ещё несколько десятилетий останется господствующим видом мотора во всех отраслях мировой экономики.

У каждого из нас есть определенный автомобиль, однако лишь некоторые водители задумываются о том, как устроен двигатель автомобиля. Нужно понимать также, что полностью знать устройство двигателя автомобиля необходимо лишь специалистам, работающим на СТО. К примеру, у многих из нас есть различные электронные устройства, но это вовсе не означает, что мы должны понимать, как они устроены. Мы просто пользуемся ими по прямому назначению. Однако с машиной ситуация немного другая.

Все мы понимаем, что появление неполадок в двигателе автомобиля напрямую влияет на наше здоровье и жизнь. От правильной работы силового агрегата нередко зависит качество езды, а также безопасность людей, которые находятся в автомобиле. По этой причине, рекомендуем уделить внимание изучению данной статьи о том, как работает двигатель автомобиля и из чего он состоит.

История разработки автомобильного двигателя

В переводе с оригинального латинского языка двигатель или мотор означает «приводящий в движение». Сегодня двигателем называют определенное устройство, предназначенное для преобразования одного из видов энергии в механическую. Самыми популярными сегодня считаются двигатели внутреннего сгорания, типы которых бывают разными. Первый такой мотор появился в 1801 году, когда Филипп Лебон из Франции запатентовал мотор, который функционировал на светильном газе. После этого свои разработки представили Август Отто и Жан Этьен Ленуар. Известно, что Август Отто первым запатентовал 4-тактный двигатель. До нашего времени строение двигателя практически не изменилось.

В 1872 году состоялся дебют американского двигателя, который работал на керосине. Однако данную попытку трудно было назвать удачной, поскольку керосин не мог нормально взрываться в цилиндрах. Уже через 10 лет Готлиб Даймлер презентовал свой вариант двигателя, который работал на бензине, причем работал довольно неплохо.

Рассмотрим современные типы двигателей автомобиля и разберемся, к какому из них принадлежит ваша машина.

Типы автомобильных двигателей

Поскольку наиболее распространенным в наше время считают двигатель внутреннего сгорания, рассмотрим типы двигателей, которыми оснащаются сегодня почти все машины. ДВС – это далеко не наилучший тип двигателя, однако именно его используют во многих транспортных средствах.

Классификация двигателей автомобиля:

• Дизельные двигатели. Подача дизельного топлива осуществляется в цилиндры посредством специальных форсунок. Такие моторы не нуждаются в электрической энергии для работы. Она им нужна лишь для запуска силового агрегата.
• Бензиновые двигатели. Они бывают и инжекторными. Сегодня используется несколько типов систем впрыска и . Работают такие моторы на бензине.
• Газовые двигатели. В таких двигателях может использоваться сжатый или сжиженный газ. Такие газы получают с помощью преобразования дерева, угля либо торфа в газообразное топливо.

Работа и конструкция двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы двигателя автомобиля – это вопрос, интересующий практически каждого автовладельца. В ходе первого ознакомления со строением двигателя все выглядит очень сложным. Однако в реальности, с помощью тщательного изучения, устройство двигателя становится вполне понятным. В случае необходимости знания о принципе работы двигателя можно использовать в жизни.

1. Блок цилиндров представляет собой своеобразный корпус мотора. Внутри него расположена система каналов, которая используется для охлаждения и смазки силового агрегата. Он используется в качестве основы для дополнительного оборудования, к примеру, картера и .

2. Поршень , являющийся пустотелым стаканом из металла. На его верхней части расположены «канавки» для поршневых колец.

3. Поршневые кольца. Кольца, расположенные внизу, называются маслосъемными, а верхние – компрессионные. Верхние кольца обеспечивают высокий уровень сжатия или компрессию смеси топлива и воздуха. Кольца используются для обеспечения герметичности камеры сгорания, а также в качестве уплотнителей, предотвращающих попадание масла в камеру сгорания.

4. Кривошипно-шатунный механизм. Отвечает за передачу возвратно-поступательной энергии поршневого движения на коленчатый вал двигателя.

Многие автолюбители не знают, что на самом деле принцип работы ДВС является достаточно несложным. Сначала попадает из форсунок в камеру сгорания, где оно смешивается с воздухом. Затем выдает искру, которая вызывает воспламенение топливно-воздушной смеси, из-за чего она взрывается. Газы, которые формируются в результате этого, двигают поршень вниз, в процессе чего он передает соответствующее движение коленчатому валу. Коленвал начинает вращать трансмиссию. После этого набор специальных шестерён осуществляет передачу движения на колеса передней или задней оси (в зависимости от привода, может и на все четыре).

Именно так работает двигатель автомобиля. Теперь вас не смогут обмануть недобросовестные специалисты, которые возьмутся за ремонт силового агрегата вашей машины.

Не будет преувеличением сказать, что большинство самодвижущихся устройств сегодня оснащены двигателями внутреннего сгорания разнообразных конструкций, использующими различные принципиальные схемы работы. Во всяком случае, если говорить об автомобильном транспорте. В данной статье мы рассмотрим более подробно ДВС. Что это такое, как работает данный агрегат, в чем его плюсы и минусы, вы узнаете, прочитав ее.

Принцип работы двигателей внутреннего сгорания

Главный принцип работы ДВС основан на том, что топливо (твердое, жидкое или газообразное) сгорает в специально выделенном рабочем объеме внутри самого агрегата, преобразуя тепловую энергию в механическую.

Рабочая смесь, поступающая в цилиндры такого двигателя, подвергается сжатию. После ее воспламенения при помощи специальных устройств возникает избыточное давление газов, заставляющих поршни цилиндров возвращаться в исходное положение. Так создается постоянный рабочий цикл, преобразующий при помощи специальных механизмов кинетическую энергию в крутящий момент.

На сегодняшний день устройство ДВС может иметь три основных вида:

• часто называемый легким;
• четырехтактный силовой агрегат, позволяющий добиться более высоких показателей мощности и значений КПД;
• обладающие повышенными мощностными характеристиками.

Помимо этого существуют и другие модификации основных схем, позволяющие улучшить те или иные свойства силовых установок данного вида.

Преимущества двигателей внутреннего сгорания

В отличие от силовых агрегатов, предусматривающих наличие внешних камер, ДВС обладает значительными преимуществами. Главными из них являются:

• гораздо более компактные размеры;
• более высокие показатели мощности;
• оптимальные значения КПД.

Необходимо заметить, говоря о ДВС, что это такое устройство, которое в подавляющем большинстве случаев позволяет использовать различные виды топлива. Это может быть бензин, дизельное топливо, природный или керосин и даже обычная древесина.

Такой универсализм принес данной принципиальной схеме двигателя заслуженную популярность, повсеместное распространение и поистине мировое лидерство.

Краткий исторический экскурс

Принято считать, что двигатель внутреннего сгорания ведет отсчет своей истории с момента создания французом де Ривасом в 1807 году поршневого агрегата, использовавшего в качестве топлива водород в газообразном агрегатном состоянии. И хотя с тех пор устройство ДВС подверглось значительным изменениям и модификациям, основные идеи этого изобретения продолжают использоваться и в наши дни.

Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания увидел свет в 1876 году в Германии. В середине 80-х годов XIX столетия в России был разработан карбюратор, позволявший дозировать подачу бензина в цилиндры мотора.

А в самом конце позапрошлого века знаменитый немецкий инженер предложил идею воспламенения горючей смеси под давлением, что существенно повышало мощностные характеристики ДВС и показатели КПД агрегатов подобного вида, которые до этого оставляли желать много лучшего. С тех пор развитие двигателей внутреннего сгорания шло в основном по пути улучшения, модернизации и внедрения разнообразных улучшений.

Основные виды и типы ДВС

Тем не менее более чем 100-летняя история агрегатов данного вида позволила разработать несколько основных видов силовых установок с внутренним сгоранием топлива. Они отличаются между собой не только составом используемой рабочей смеси, но и конструктивными особенностями.

Бензиновые двигатели

Как явствует из названия, агрегаты данной группы используют в качестве топлива различные виды бензина.

В свою очередь, такие силовые установки принято подразделять на две большие группы:

• Карбюраторные. В таких устройствах топливная смесь перед поступлением в цилиндры обогащается воздушными массами в специальном устройстве (карбюраторе). После чего происходит ее воспламенение при помощи электрической искры. Среди наиболее ярких представителей данного типа можно назвать модели ВАЗ, ДВС которых очень долгое время был исключительно карбюраторного типа.
• Инжекторные. Это более сложная система, в которой впрыск топлива в цилиндры осуществляется посредством специального коллектора и форсунок. Он может происходить как механическим способом, так и посредством специального электронного устройства. Наиболее продуктивными считаются системы прямого непосредственного впрыска «Коммон Рейл». Устанавливаются почти на все современные автомобили.

Инжекторные бензиновые двигатели принято считать более экономичными и обеспечивающими более высокий КПД. Однако стоимость таких агрегатов намного выше, а обслуживание и эксплуатация — заметно сложнее.

Дизельные двигатели

На заре существования агрегатов подобного вида очень часто можно было слышать шутку о ДВС, что это такое устройство, которое ест бензин, как лошадь, а движется намного медленнее. С изобретением дизельного двигателя эта шутка частично потеряла свою актуальность. Главным образом потому, что дизель способен работать на топливе гораздо более низкого качества. А значит, и на гораздо более дешевом, нежели бензин.

Главным принципиальным отличием внутреннего сгорания является отсутствие принудительного воспламенения топливной смеси. Солярка впрыскивается в цилиндры специальными форсунками, а отдельные капли топлива воспламеняются из-за силы давления поршня. Наряду с преимуществами дизельный двигатель обладает и целым рядом недостатков. Среди них можно выделить следующие:

• гораздо меньшая мощность по сравнению с бензиновыми силовыми установками;
• большими габаритами и весовыми характеристиками;
• сложностями с запуском при экстремальных погодных и климатических условиях;
• недостаточной тяговитостью и склонностью к неоправданным потерям мощности, особенно на сравнительно высоких оборотах.

Кроме того, ремонт ДВС дизельного типа, как правило, гораздо более сложен и затратен, нежели регулировка или восстановление работоспособности бензинового агрегата.

Газовые двигатели

Несмотря на дешевизну природного газа, используемого в качестве топлива, устройство ДВС, работающих на газе, несоизмеримо сложнее, что ведет к существенному удорожанию агрегата в целом, его монтажа и эксплуатации в частности.

На силовых установках подобного типа сжиженный или природный газ поступает в цилиндры через систему специальных редукторов, коллекторов и форсунок. Воспламенение топливной смеси происходит так же, как и в карбюраторных бензиновых установках, — при помощи электрической искры, исходящей от свечи зажигания.

Комбинированные типы двигателей внутреннего сгорания

Мало кто знает о комбинированных системах ДВС. Что это такое и где применяется?

Речь идет, конечно же, не о современных гибридных автомобилях, способных работать как на горючем, так и от электрического мотора. Комбинированными двигателями внутреннего сгорания принято называть такие агрегаты, которые объединяют в себе элементы различных принципов топливных систем. Наиболее ярким представителем семейства таких двигателей являются газодизельные установки. В них топливная смесь поступает в блок ДВС практически так же, как и в газовых агрегатах. Но поджиг горючего производится не при помощи электроразряда от свечи, а запальной порцией солярки, как это происходит в обычном дизельном моторе.

Обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания

Несмотря на достаточно широкое разнообразие модификаций, все двигатели внутреннего сгорания имеют аналогичные принципиальные конструкции и схемы. Тем не менее, для того чтобы качественно осуществлять обслуживание и ремонт ДВС, необходимо досконально знать его устройство, понимать принципы работы и уметь определять неполадки. Для этого, безусловно, необходимо тщательно изучить конструкцию двигателей внутреннего сгорания различных типов, уяснить для себя назначение тех или иных деталей, узлов, механизмов и систем. Дело это непростое, но очень увлекательное! А главное, нужное.

Специально для пытливых умов, которые желают самостоятельно постичь все таинства и секреты практически любого транспортного средства, примерная принципиальная схема ДВС представлена на фото выше.

Итак, мы выяснили, что собой представляет данный силовой агрегат.

Двигатель внутреннего сгорания работает на основе расширения газов, которые нагреваются при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Газы нагреваются от того, что в цилиндре сгорает топливо, которое перемешано с воздухом. Таким образом, температура давления и газа стремительно растет.

Известно, что поршневое давление является аналогичным атмосферному. В цилиндре, наоборот, давление является более высоким. Как раз из-за этого давления поршня понижается, что приводит к расширению газов, таким образом, совершается полезная работа.В соответствующем разделе нашего сайта вы сможете найти статью . Для выработки механической энергии цилиндр двигателя нужно постоянно снабжать воздухом, в который будет поступать через форсунку топливо и воздух через впускной клапан. Конечно, воздух может поступать вместе с топливом, например, через впускной клапан. Через него же выходят все продукты, получившиеся при сгорании. Все это происходит на основе газораспределения, ведь именно газ отвечает за открытие и закрытие клапанов.

Рабочий цикл двигателя

Нужно особенно выделить рабочий цикл двигателя, который представляет собой последовательные повторяющиеся процессы. Они происходят в каждом цилиндре. Кроме того, именно от них зависит переход тепловой энергии в механическую работу. Стоит отметить, что каждый тип транспорта работает по своему определенному типу. Например, рабочий цикл может совершаться за 2 хода поршня. В этом случае двигатель называют двухтактным. Что касается автомобилей, то большинство из них имеют четырехтактные двигатели, так как их цикл состоит из впуска, сжатия газа, расширения газа, или рабочего хода, и выпуска. Все эти четыре этапа играют большую роль в работе двигателя.

Впуск

На этом этапе выпускной клапан закрыт, а впускной, наоборот, открыт. На начальном этапе первый полуоборот делается коленчатым валом двигателя, что приводит к перемещению от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. После в цилиндре происходит разряжение, и в него попадает через впускной газопровод воздух вместе с бензином, что представляет собой горючую смесь, которая затем перемешивается с газами. Таким образом, двигатель начинает работать.

Сжатие

После того, как цилиндр полностью заполнился горючей смесью, поршень начинает постепенно перемещаться от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Клапаны в этот момент еще закрыты. На этом этапе давление и температура рабочей смеси становится выше.

Рабочий ход, или расширение

В то время, как поршень продолжает перемещаться от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, после этапа сжатия электрическая искра воспламеняет рабочую смесь, которая в свою очередь моментально тухнет. Так, температура и давление газов, находящихся в цилиндре сразу повышается. При рабочем ходе совершается полезная работа. На этом этапе происходит открытие выпускного клапана, что приводит к понижению температуры и давления.

Выпуск

На четвертом полуобороте в поршне происходит перемещение от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Так, через открытый выпускной клапан из цилиндра выходят все продукты сгорания, которые после поступают в атмосферный воздух.

Принцип работы 4-тактного дизеля

Впуск

Воздух поступает в цилиндр через впускной клапан, который открыт. Что касается движения от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, то оно образуется при помощи разряжения, которое идет вместе с воздухом из воздухоочистителя в цилиндр. На данном этапе давление и температура понижены.

Сжатие

На втором полуобороте впускной и выпускной клапаны являются закрытыми. От НМТ к ВМТ поршень продолжает двигаться и постепенно сжимать воздух, который недавно поступил в полость цилиндра. В соответствующем разделе нашего сайта вы сможете найти статью про . У дизельного варианта двигателя топливо воспламеняет в том случае, когда температура сжатого воздуха выше температуры топлива, которое может самовоспламениться. Дизельное топливо поступает при помощи топливного насоса и проходит форсунку.

Рабочий ход, или расширение

После процесса сжатия топливо начинает смешиваться с нагретым воздухом, таким образом, происходит воспламенение. На третьем полуобороте повышается давление и температура, в результате чего происходит сгорание. Затем после приближения поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке давление и температура значительно понижаются.

Выпуск

На данном заключительном этапе происходит выталкивание отработавших газов из цилиндра, которые через открытую выпускную трубу попадают в атмосферу. Температура и давление заметно понижаются. После этого рабочий цикл делает все то же самое.

Как работает двухтактный двигатель?

Двухтакный двигатель имеет другой принцип работы в отличие от четырехтактного. В этом случае горючая смесь и воздух попадают в цилиндр в начале хода сжатия. Кроме того, отработавшие газы выходят из цилиндра в конце хода расширения. Стоит отметить, что все процессы происходят без движения поршней, как это делается у четырехтактного двигателя. Для двухтактного двигателя характерен процесс, называющийся продувкой. То есть, в этом случае все продукты сгорания удаляются из цилиндра при помощи потока воздуха или горючей смеси. Двигатель такого типа обязательно оснащен продувочным насосом, компрессором.

Двухтактный карбюраторный двигатель с кривошипно-камерной продувкой отличается от предыдущего типа своеобразной работой. Стоит отметить, что двухтактный двигатель не имеет клапанов, так как их в этом плане заменяют поршни. Так, при движении поршень закрывает впуск и выпуск, а также продувочные окна. При помощи продувочных окон цилиндр взаимодействует с картером, или кривошипной камерой, а также впускным и выпускным трубопроводами. Что касается рабочего цикла, то двигателей этого типа выделяют два такта, как можно было догадаться уже из названия.

Сжатие

На этом этапе поршень двигается от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. При этом он частично закрывает продувочное и выпускное окна. Таким образом, в момент закрытия в цилиндре происходит сжатие бензина и воздуха. В этот момент происходит разряжение, которое приводит к поступлению горючей смеси из карбюратора в кривошипную камеру.

Рабочий ход

Что касается работы двухтактного дизельного двигателя, то здесь чуть иной принцип работы. В этом случае в цилиндр сначала попадает не горючая смесь, а воздух. После этого туда слегка распыляется топливо. Если частота вращения вала и размер цилиндра дизельного агрегата одинаковы, то, с одной стороны, мощность такого мотора будет превышать мощность четырехтактного. Однако такой результат не всегда прослеживается. Так, из-за плохого освобождения цилиндра от оставшихся газов и неполного использования поршня мощность двигателя не превышает 65% в лучшем случае.

Для настоящего автолюбителя машина — это непросто средство передвижения, а ещё и инструмент свободы. При помощи автомобиля можно достаться в любую точку города, страны или континента. Но наличия прав для настоящего путешественника недостаточно. Ведь до сих пор есть множество мест, где не ловит мобильный, и куда не могут добраться эвакуаторы. В таких случаях при поломке вся ответственность ложится на плечи автомобилиста.

Поэтому каждый водитель должен хоть немного разбираться в устройстве своего автомобиля , и начать нужно именно с двигателя. Безусловно, современные автомобильные компании выпускают множество автомобилей с разными типами моторов, но чаще всего производителями в конструкциях используются двигатели внутреннего сгорания. Они обладают высоким КПД и при этом обеспечивают высокую надёжность работы всей системы.

Внимание! В большинстве научных статей двигатели внутреннего сгорания сокращённо называются ДВС.

Какими бывают ДВС

Перед тем как приступить к подробному изучению устройства ДВС и их принципа работы, рассмотрим, какими бывают двигатели внутреннего сгорания. Сразу нужно сделать одно важное замечание. За более чем 100 лет эволюции учёными было придумано множество разновидностей конструкций, у каждой из которых есть свои преимущества. Поэтому для начала выделим основные критерии, по которым можно различить данные механизмы:

1. В зависимости от способа создания горючей смеси все ДВС делятся на карбюраторные, газовые и инжекторные устройства. Причём это класс с внешним смесеобразованием. Если же говорить о внутреннем, то — это дизели.
2. В зависимости от типа топлива ДВС можно разделить на бензиновые, газовые и дизельные.
3. Охлаждение устройства двигателей может быть двух типов: жидкостным и воздушным.
4. Цилиндры могут располагаться как друг напротив друга, так и в форме буквы V.
5. Смесь внутри цилиндров может воспламеняться посредством искры. Так происходит в карбюраторных и инжекторных ДВС или за счёт самовоспламенения.

В большинстве автомобильных журналов и среди профессиональных автоэкспортов принято классифицировать ДВС, на такие типы:

1. Бензиновый двигатель. Это устройство работает за счёт бензина. Зажигание происходит принудительно при помощи искры, которую генерирует свеча. За дозировку топливно-воздушной смеси отвечают карбюраторные и инжекторные системы. Воспламенение происходит при сжатии.
2. Дизельные . Двигатели с устройством такого типа работают за счёт сгорания дизельного топлива. Главная разница в сравнении с бензиновыми агрегатами заключается в том, что горючее взрывается благодаря повышению температуры воздуха. Последнее становится возможным из-за роста давления внутри цилиндра.
3. Газовые системы функционируют при помощи пропан-бутана. Зажигание происходит принудительным образом. Газ с воздухом подаётся в цилиндр. В остальном устройство подобного ДВС аналогично бензиновому мотору.

Именно такая классификация используется чаще всего, указывая на конкретные особенности системы.

Устройство и принцип работы

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Лучше всего рассмотреть устройство ДВС на примере одноцилиндрового двигателя. Главной деталью в механизме является цилиндр. В нём находится поршень, который двигается вверх-вниз. При этом есть две контрольные точки его передвижения: верхняя и нижняя. В профессиональной литературе они именуются как ВМТ и НМТ. Расшифровка следующая: верхняя и нижняя мёртвые точки.

Внимание! Поршень также соединяется с валом. Соединительным звеном служит шатун.

Главная задачу шатуна — это преобразование энергии, которая образовывается в результате движения поршня вверх-вниз во вращательное. Результатом подобного преобразования является движение автомобиля в нужное вам направление. Именно за это отвечает устройство ДВС. Также не стоит забывать про бортовую сеть, работа которой становится возможной благодаря энергии, выработанной двигателем.

Маховик крепится к концу вала ДВС. Он обеспечивает стабильность вращения коленчатого вала. Впускной и выпускной клапаны находятся вверху цилиндра, который, в свою очередь, накрывается специальной головкой.

Внимание! Клапаны открывают и закрывают соответствующие каналы в нужное время.

Чтобы клапаны ДВС открылись, на них воздействуют кулачки распредвала. Происходит это посредством передаточных деталей. Сам вал двигается при помощи шестерней коленчатого вала.

Внимание! Поршень свободно движется внутри цилиндра, застывая на миг то в верхней мёртвой точке, то в нижней.

Чтобы устройство ДВС функционировало в нормальном режиме, горючая смесь должна подаваться в чётко выверенной пропорции. В противном случае возгорание может не произойти. Огромную роль также играет момент, в который происходит подача.

Масло необходимо для того, чтобы предотвратить преждевременный износ деталей в устройстве ДВС. В общем, всё устройство двигателя внутреннего сгорания состоит из таких основных элементов:

• свечей зажигания,
• клапанов,
• поршней,
• поршневых колец,
• шатунов,
• коленвала,
• картера.

Взаимодействие этих системных элементов позволяет устройству ДВС вырабатывать нужную для передвижения автомобиля энергию.

Принцип работы

Рассмотрим, как работает четырёхтактный ДВС. Чтобы понять принцип его работы, вы должны знать значение понятия такт. Это определённый промежуток времени, за который внутри цилиндра осуществляется нужное для работы устройства действие. Это может быть сжатие или воспламенение.

Такты ДВС образуют рабочий цикл, который, в свою очередь, обеспечивает работу всей системы. В процессе этого цикла тепловая энергия преобразуется в механическую. За счёт этого происходит движение коленчатого вала.

Внимание! Рабочий цикл считается завершённым после того, как коленчатый вал сделает один оборот. Но такое утверждение работает только для двухтактного двигателя.

Здесь нужно сделать одно важное объяснение. Сейчас в автомобилях преимущественно используется устройство четырёхтактного двигателя. Такие системы отличаются большей надёжностью и улучшенной производительностью.

Для совершения четырёхтактного цикла нужно два оборота коленчатого вала. Это четыре движения поршня вверх-вниз. Каждый такт выполняет действия в точной последовательности:

• впуск,
• сжатие,
• расширение,
• выпуск.

Предпоследний такт также называется рабочим ходом. Про верхнюю и нижнюю мертвые точки вы уже знаете. Но расстояние между ними обозначает ещё один важный параметр. А именно, объём ДВС. Он может колебаться в среднем от 1,5 до 2,5 литра. Измеряется показатель посредством плюсования данных каждого цилиндра.

Во время первого полуоборота поршень с ВМТ перемещается в НМТ. При этом впускной клапан остаётся открытым, в свою очередь, выпускной плотно закрыт. В результате данного процесса в цилиндре образуется разряжение.

Горючая смесь из бензина и воздуха попадает в газопровод ДВС. Там она смешивается с отработанными газами. В результате образуется идеальное для воспламенения вещество, которое поддаётся сжатию на втором акте.

Сжатие происходит тогда, когда цилиндр полностью заполнен рабочей смесью. Коленчатый вал продолжает свой оборот, и поршень перемещается из нижней мёртвой точки в верхнюю.

Внимание! С уменьшением объёма температура смеси внутри цилиндра ДВС растёт.

На третьем такте происходит расширение. Когда сжатия подходит к своему логическому завершению свеча генерирует искру и происходит воспламенение. В дизельном двигателе всё происходит немного по-другому.

Во-первых, вместо свечи установлена специальная форсунка, которая на третьем такте впрыскивает топливо в систему. Во-вторых, внутрь цилиндра закачивается воздух, а не смесь газов.

Принцип работы дизельного ДВС интересен тем, что в нём топливо воспламеняется самостоятельно. Происходит это за счёт повышения температуры воздуха внутри цилиндра. Подобного результата удаётся добиться за счёт сжатия, в результате которого растёт давление и повышается температура.

Когда топливо через форсунку попадает внутрь цилиндра ДВС, температура внутри настолько высока, что возгорание происходит само собой. При использовании бензина подобного результата добиться нельзя. Всё потому что он воспламеняется при гораздо более высокой температуре.

Внимание! В процессе движения поршня от произошедшего внутри микровзрыва деталь ДВС совершает обратный рывок, и коленчатый вал прокручивается.

Последний такт в четырёхтактном ДВС носит название впуск. Он происходит на четвёртом полуобороте. Принцип его действия довольно прост. Выпускной клапан открывается, и все продукты сгорания попадают в него, откуда в выпускной газопровод.

Перед тем как попасть в атмосферу отработанные газы из обычно проходят систему фильтров. Это позволяет минимизировать вред, наносимый экологии. Тем не менее устройство дизельных двигателей всё равно намного более экологично, чем бензиновых.

Устройства, позволяющие увеличить производительность ДВС

С момента изобретения первого ДВС система постоянно совершенствуется. Если вспоминать первые двигатели серийных автомобилей, то они могли разгоняться максимум до 50 миль в час. Современные суперкары без труда преодолевают отметку в 390 километров. Таких результатов учёным удалось добиться за счёт интеграции в устройство двигателя дополнительных систем и некоторых конструкционных изменений.

Большой прирост мощности в своё время дал клапанный механизм, внедрённый в ДВС. Ещё одной ступенью эволюции стало расположение распределительного вала вверху конструкции. Это позволило уменьшить число движущихся элементов и увеличить производительность.

Также нельзя отрицать полезность современной системы зажигания ДВС. Она обеспечивает максимально возможную стабильность работы. Вначале генерируется заряд, который поступает на распределитель, а с него на одну из свечей.

Внимание! Конечно же, нельзя забыть про систему охлаждения, состоящую из радиатора и насоса. Благодаря ей удаётся предотвратить своевременный перегрев устройства ДВС.

Итоги

Как видите, устройство двигателя внутреннего сгорания не представляет особенной сложности. Для того чтобы его понять не нужно каких-либо специальных знаний — достаточно простого желания. Тем не менее знание принципов работы ДВС точно не будет лишними для каждого водителя.

Будущее двигателей внутреннего сгорания глазами Rolls-Royce Power Systems

Необходимость перемен

Двигатели внутреннего сгорания нашли применение во многих областях с изобретением бензиновых двигателей с искровым зажиганием и дизельных двигателей с воспламенением от сжатия до начала 19-го века. Оба принципа являются преобладающими и используются до сих пор.

В целом, мощность ДВС варьируется от небольшой (одна цифра кВт или даже меньше) до очень большой (примерно до 80 000 кВт) выходной мощности. Наиболее важными для Rolls-Royce Power Systems являются внедорожные двигатели в диапазоне мощностей от 560 кВт до примерно 10 000 кВт, поскольку они составляют основу силовых передач на конечных рынках Power System. Этот сегмент рынка представляет собой особую часть общего мирового рынка ДВС, на котором преобладают дорожные приложения (таблица 1).

Таблица 1: Количество агрегатов для шоссейных и внедорожных автомобилей (i)

В последние десятилетия разработки ДВС основное внимание уделялось увеличению удельной мощности, карте производительности (с целью оптимизации расхода топлива потребление при заданных профилях нагрузки и скорости), повышения эффективности и сокращения выбросов. В последние годы повышенное внимание к обезуглероживанию силовой передачи дорожных автомобилей также распространилось на многие области применения на рынках внедорожной техники.

В то время как многие обсуждения современных ДВС, связанные с двигателями, вращаются вокруг больших объемов двигателей, производимых для автомобильной промышленности, в этой статье рассматривается будущее ДВС через призму наших приложений и отраслей. Тем не менее, само собой разумеется, что определенные технологические достижения на рынке автомобильной техники были и будут переноситься и внедряться на рынок внедорожной техники и, таким образом, также в продукты и приложения Power Systems.

  Ключевыми приложениями, представляющими интерес для Rolls-Royce Power Systems и данного документа, являются:  

• Производство электроэнергии: генераторные установки с двигателями внутреннего сгорания для критически важных и резервных источников питания в больницах, центрах обработки данных и т. д.
• Производство электроэнергии: Производство электроэнергии в непрерывном режиме с помощью дизельных или газовых генераторов. Например, теплоэлектростанции с комбинированным циклом или стабилизация сети в отдаленных районах, где нет других жизнеспособных форм производства электроэнергии
• Горнодобывающая, нефтегазовая и железнодорожная промышленность:  Использование ДВС в качестве трансмиссии для транспортного и машинного оборудования
• Судостроение и яхтинг: системные решения ICE для движения судов
• Правительственный: Высокоэффективные двигатели внутреннего сгорания для силовых установок и бортовой электроэнергетики на суше и на море.

В таблице 2 показан рынок дизельных двигателей с ДВС в соответствии с разделением по областям применения. Он делится на большое количество единиц, развернутых в критически важных приложениях и приложениях резервного питания, и менее 30% в транспортных средствах.

Таблица 2: Рыночная структура внедорожных двигателей с ДВС в год. (ii)

Сегодня на рынке внедорожников преобладают двигатели внутреннего сгорания, работающие на ископаемом топливе, которые вызывают значительное количество выбросов CO2. Основываясь на собственных расчетах, мы оцениваем общие выбросы CO2 на рынке внедорожной техники с дизельными двигателями мощностью более 560 кВт примерно в 690 Мт эквивалента CO2 в 2019 году (в соответствии с методом расчета SBTvi). (ви).

Учитывая, что у нас есть ограниченный накопленный бюджет на выбросы парниковых газов (ПГ), чтобы удержать глобальное потепление значительно ниже 2°C (исходное значение МГЭИК: 1170 Гт CO2-экв.) или предпочтительно 1,5°C (исходное значение МГЭИК: 420 Гт CO2-экв. ) ) по сравнению с доиндустриальным уровнем, приложения на основе ICE играют ключевую роль в достижении климатических целей. (iii) На внедорожный транспорт (6%) и производство электроэнергии и тепла (42%) приходится почти 50% глобальных выбросов CO2 в результате сжигания ископаемого топлива в 2020 году (iv). Следовательно, использование двигателей, работающих только на ископаемом топливе, должно быть резко сокращено, и при этом внедрение ДВС или даже его замена должны в конечном итоге стать нейтральными по отношению к выбросам CO2 или вообще не содержать CO2.

Повышение топливной экономичности и сокращение выбросов отработавших газов ДВС, предусмотренные все более строгими нормами выбросов (введенными, например, IMO, EPA), за последние несколько лет сделали значительные шаги и будут продолжать делать это. Тем не менее, этого было бы недостаточно для достижения целей по сокращению выбросов парниковых газов к 2030 году и, таким образом, чистых нулевых целей к 2050 году, чтобы оставаться ниже сценария увеличения потепления на 2°C. Именно по этой причине необходимо разрабатывать и внедрять новые технологии, которые постепенно заменят обычные ДВС, работающие на ископаемом топливе.

Каковы возможные пути продвижения вперед?

Помимо непрерывной работы по повышению топливной эффективности и сокращению выбросов ДВС, работающих на ископаемом топливе, следующие технологические принципы оказывают наибольшее влияние на сокращение выбросов и обещают существенное снижение выбросов ПГ:

• «выхлопная труба», т.е. улавливание и хранение выбросов таким образом, чтобы они никогда не попали в атмосферу земли. Поскольку этот подход пока не актуален для наших областей применения, в данной статье он далее не обсуждается.
  
• Использование двигателей внутреннего сгорания с устойчивым, т. е. неископаемым, топливом (синтетическое топливо или электронное топливо, часто отнесенное к категории топлива «Power to X» (PtX), такое как eDiesel, eHydrogen и т. д., а также биотопливо 2-го поколения). Следовательно, цель состоит в том, чтобы добиться нулевого выброса CO2 при работе двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от типа топлива оно относится либо к топливу, которое поглощает из воздуха такое же количество CO2, связывает его из биогенных источников или из других источников выбросов CO2 для своего производства, сколько выделяется при использовании в ДВС при сжигании этого топлива. Или это относится к топливу, например. водород, который бы вообще не выделял СО2 на выхлопной трубе.
• Переход на альтернативы для двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от применения это может быть электродвигатель, если требуется вращательная механическая энергия, или статическое решение, такое как топливный элемент или батарея. Продукты и инфраструктура, использующие солнечную и ветровую энергию для зарядки аккумуляторов или производства зеленого водорода, уже доступны, хотя их количество и доступность сильно зависят от страны и местоположения.

Принимая во внимание технические, коммерческие и нормативные ограничения, помимо важных экологических аспектов, возможны комбинации вышеперечисленного с современными ДВС, работающими на ископаемом топливе, например. гибридные электро-дизельные решения для транспортного сектора.

Независимо от того, какой принцип или комбинация технологий выбраны, мы считаем крайне важным учитывать полный баланс ПГ и, следовательно, всю цепочку создания стоимости «от скважины до колеса» или с точки зрения жизненного цикла продукта «от колыбели до могилы». ». Например, что касается выбросов парниковых газов и целей, бесполезно сжигать топливо в ДВС, которое не выделяет CO2 (скажем, водород), если топливо было произведено с помощью источников энергии, выделяющих CO2 (например, электричество от электростанций, работающих на ископаемом топливе). Поскольку многие химические процессы, такие как создание водорода, требуют электричества, крайне важно, чтобы последний производился, передавался и хранился экологически безопасным способом, т. е. с использованием возобновляемых источников энергии. Следовательно, отраслевая связь и согласование электроэнергетики и энергопотребляющих отраслей станут очень важными.

Рисунок 1: Совместное использование приложений ICE и замещающие технологии (внутренний источник)

Рисунок 1 дает представление об ожидаемых актуальных технологиях, необходимых для преобразования рынка, как мы его видим сегодня. Независимо от основного сценария выбросов парниковых газов, рисунок показывает наши ожидания в отношении все еще важной роли ICE в ближайшие годы. Тем не менее, он явно конкурирует с развитием технологий аккумуляторов и топливных элементов.

Влияние сценариев рыночного спроса на ДВС и заменители ДВС

Принимая во внимание указанные выше технические варианты и предполагаемые временные интервалы, указанные на рис. 1, мы полагаем, что спрос на электроэнергию для наших приложений и, следовательно, спрос на ICE и альтернативные ICE будут сосуществовать в течение многих лет. Однако распределение вариантов будет развиваться в соответствии с лежащим в их основе паттерном, который обсуждается в этой главе.

Мы получили наши рыночные ожидания, исходя из трех сценариев сокращения выбросов на основе отчетов МЭА и МГЭИК. Один сценарий с сегодняшними политиками и решениями (сценарий 1), другой, который предполагает гораздо более строгую политику и очень сильное продвижение и доступность зеленой водородной экосистемы (сценарий 2), и один с такими же строгими политиками, как сценарий 2, но водородная экосистема не строится, поскольку быстрое и устойчивое топливо соответственно увеличивается.

Рисунок 2: Сценарии трансформации рынка (внутренний источник) – 1) нормированные по базовому спросу 2019

Перевод сценариев глобального потепления на наши рынки позволяет создавать стратегические дорожные карты для развития технологий. В июне 2021 года Rolls-Royce Group взяла на себя обязательство по сокращению выбросов парниковых газов в рамках кампании «Бизнес-амбиции на 1,5°C» (v). Как видно из рисунка 2, независимо от сценария, доля ICE как одиночного решения или части гибридной системы все равно будет в пределах 60-9.0%. С ориентацией на третий сценарий и, возможно, даже с более сильным поглощением водорода, ICE по-прежнему будет составлять две трети или более развернутого портфеля. Тем не менее, чтобы соответствовать базовым значениям выбросов, половина ДВС должна работать на экологичных видах топлива.

Насколько такой сценарий станет реальностью, зависит от ряда движущих сил. Основными из них являются стандарты устойчивого финансирования, рыночные рамочные правила, такие как цена CO₂ или лимиты выбросов CO₂, глобальное согласование стандартов и цепочки энергоснабжения, включая наличие инфраструктуры. В результате этих сценариев мы готовимся к сочетанию технологий ДВС и электротехники (включая гибридные решения и решения на топливных элементах). Но каким бы ни было детальное сочетание, мы твердо верим, что аккумуляторные системы будут играть все более важную роль во всех наших приложениях. Аккумуляторы, особенно в комбинированных технологических решениях, позволят справиться с присущими нашим приложениям пиковыми нагрузками.

В целом, но особенно в наших областях применения, объемы закупок аккумуляторных систем будут увеличиваться в геометрической прогрессии. Они составляют значительную часть общих затрат на гибридные и электрические системы (примерно 25–30 % на гибридную морскую/железнодорожную систему). Можно ожидать, что соответствующие факторы успеха для внедрения аккумуляторных систем, а именно цена и плотность энергии (гравиметрическая и объемная), будут продолжать улучшаться в течение следующего десятилетия, особенно в наших областях применения, как они уже произошли в других областях применения. . Например, в автомобильной промышленности цены на аккумуляторы упали почти в 9 раз.0% за последние десять лет. Технологические движущие силы для дальнейшего совершенствования аккумуляторных технологий находятся за пределами нашей отрасли. Примеры включают автомобильный сектор, где плотность энергии, быстрая зарядка, долговечность и т. д. имеют решающее значение, или коммунальный сектор, где необходимы высокая энергия и длительное время хранения. Таким образом, будет невозможно разработать собственные аккумуляторные технологии, адаптированные к нашим областям применения. Тем не менее, упаковка аккумуляторных систем для конкретного применения будет решающим фактором из-за небольшого объема / большого разнообразия в наших отраслях. Ключевым моментом будет гармонизация и стандартизация архитектуры с повторно используемыми модулями в наших промышленных приложениях — в то же время мы должны иметь возможность извлекать выгоду из достижений в области аккумуляторных технологий, которые мы будем наблюдать каждые несколько лет в будущем.

Объединение частей воедино для обеспечения жизнеспособности

Амбиции по выбросам парниковых газов и развертывание новых технологий должны быть жизнеспособными для различных сегментов клиентов и приложений во время установки и на протяжении всего жизненного цикла решения. Следующие четыре ключевых аспекта следует учитывать при выборе вариантов, описанных в предыдущих главах.

1. Установленная база
   В отрасли, где срок службы активов исчисляется десятилетиями, управление установленной базой и взаимоотношениями с клиентами являются ключевыми. Учитывая, что внедорожные транспортные средства или здания и инфраструктура строятся вокруг приводных систем, то есть вокруг ДВС, выполнение будущих требований по выбросам парниковых газов должно учитывать специфику установленной базы и соответствующие реалии применения.
   Внутренние расчеты Rolls-Royce Power Systems показывают, что в соответствии с определением Научно-обоснованных целей (SBT) (vi) выбросы парниковых газов в течение всего срока службы нашей продукции, эксплуатируемой в данном календарном году, примерно в 1000 раз превышают годовые выбросы парниковых газов на всех объектах Комбинированные энергосистемы Rolls-Royce (vii). Таким образом, использование CO2-нейтрального топлива для любых продуктов, используемых в полевых условиях, или сокращение общих выбросов за счет комбинации технологий (например, газовый ДВС + батарея) будет иметь большое влияние на сокращение выбросов ПГ еще в этом десятилетии. Он будет продвигать не только различные технологии, такие как топливо или аккумуляторы PtX, но и комплекты для переоборудования ДВС для использования альтернативного топлива (например, ДВС с природного газа на ДВС с водородом). Последнее поможет обезопасить инвестиции в уже установленную базу или базу, которая будет установлена ​​в ближайшее время.
2. Совокупная стоимость владения
   Совокупная стоимость владения (TCO) имеет ключевое значение для клиентов, особенно при непрерывно работающем оборудовании. Большинство наших двигателей внутреннего сгорания имеют наработку более 3000 часов в год. Снижение эксплуатационных расходов является постоянным драйвером дальнейшего совершенствования ДВС.

   TCO также включает стоимость топлива и соответствующие налоги, сборы за выбросы и нормативную базу, которая защищает инвестиции с длительным периодом окупаемости. Стоимость устойчивого топлива определяется стоимостью сырья, энергии и процесса химического преобразования. Первые исследования показывают возможности для конкурентоспособных затрат, сопоставимых с биотопливом, но это сильно зависит от наличия доступных и стабильных возобновляемых источников энергии. (viii, ix)

   Наш анализ и оценки предсказывают более высокие средние затраты на экологичное топливо в диапазоне 2-3 раз по сравнению с ископаемым топливом к 2030 году. Это увеличило бы совокупную стоимость владения для клиентов, если бы не были приняты балансирующие меры, связанные с использованием ископаемого топлива.

   Однако реальная совокупная стоимость владения в будущем будет также зависеть от стоимости выбросов, особенно выбросов CO2. Принимая это во внимание, будущие цены на CO2 потенциально могут компенсировать дополнительные затраты на экологичные виды топлива, поскольку сокращение или полное исключение затрат на выбросы CO2 окажет положительное влияние на совокупную стоимость владения.

   Наконец, нормативно-правовая база должна быть такой, чтобы можно было быть уверенным в том, что сегодняшние инвестиции принесут ожидаемую прибыль. Следовательно, клиенты и инвесторы должны быть уверены, что решения, задуманные сегодня и развернутые в ближайшем будущем, в долгосрочной перспективе будут соответствовать стандартам и политикам. Например, ИМО должна дать указания относительно требований к выбросам в будущем. При любых обстоятельствах следует избегать лоскутного одеяла стандартов.

   Если приведенные выше критерии совокупной стоимости владения благоприятны, топливо с нейтральным выбросом CO2 и без CO2 для двигателей внутреннего сгорания является жизнеспособной альтернативой на многие годы. Это позволило бы избежать высоких затрат и рисков, связанных с полной перепроектировкой основных приложений (таких как суда, железнодорожные вагоны и т. д.), и позволило бы продолжать использовать проверенные конструкции, сохраняя при этом амбиции по сокращению выбросов парниковых газов.

3. Осуществимость технологий моста
   Технологии моста необходимы для снижения возможных высоких затрат и рисков для приложений при переходе на более революционные технологии.

   Мы ожидаем, что экологичные виды топлива с нейтральным выбросом CO2 будут играть важную роль, особенно до тех пор, пока технологии, не содержащие CO2 (например, топливные элементы), не достигнут более высокого уровня зрелости. Наши клиенты уже сильно нуждаются в этих видах топлива для использования в существующих автопарках. Преимущество таких видов топлива, как экологичное дизельное топливо или экологически чистый метан, в особенности заключается в использовании существующей инфраструктуры для распределения. ДВС, работающий на водороде, и гибридная силовая установка являются дополнительными вариантами снижения воздействия выбросов на окружающую среду во всех сегментах и ​​создания моста к чистой нулевой силовой установке.

   Компания Rolls-Royce Power Systems четко рассматривает ДВС как жизнеспособную технологию перехода к экономии выбросов CO2. Поскольку разработка новых технологий заменителей ДВС, не содержащих CO2, требует времени, мы ожидаем, что более 60% поставляемой нами продукции по-прежнему будут основаны на технологии ДВС в 2030 году. Чтобы достичь третьего сценария на рис. абсолютный выброс парниковых газов на 35% ниже по сравнению с портфелем в 2019 году.

   Превращение ДВС в связующую технологию означает адаптацию сегодняшних и будущих платформ ДВС к широкому использованию топлива с нейтральным выбросом CO2. Имеющиеся в настоящее время топлива для преобразования газа в жидкость (GtL) и гидроочищенного растительного масла (HVO) имеют аналогичные характеристики по сравнению с будущими топливами PtX с нейтральным выбросом CO2. Их можно использовать для разработки и демонстрации возможности использования топлива PtX на платформах ICE до тех пор, пока топливо PtX не будет доступно в больших количествах. Принимая во внимание водород, ДВС, работающие на природном газе, с возможностью модернизации для частичного или полного сжигания водорода, представляют собой не только промежуточную технологию, но и технологию, нейтральную по отношению к CO2 или даже без CO2 в будущем.

4. Рыночные и прикладные приоритеты
   Несмотря на то, что мы видим стремление рынка и клиентской базы к сокращению выбросов парниковых газов, готовность внедрять новые устойчивые технологии сильно отличается в разных группах клиентов. Нормативно-правовая база и политика являются основными движущими силами, но также и индивидуальными интересами групп клиентов. Хорошим примером является группа клиентов из правительства, военно-морского флота и обороны: хотя приоритетами по-прежнему являются доступность, безопасность и надежность их продукции, многие из этих клиентов также стремятся достичь нулевого уровня выбросов в 2050 году (x). Здесь альтернативные решения станут более интересными только тогда, когда они докажут, что действительно предлагают аналогичные технологические характеристики по сравнению с зрелыми технологиями привода и движения. С другой стороны, потребительский сегмент стационарной энергетики более прогрессивен с новыми технологиями, особенно если выброс сокращение может быть монетизировано в их бизнес-кейсах (сертификаты или сниженный налог на выбросы CO2) или если разрешения на строительство зависят от низкого уровня выбросов.

   Исходя из этого, технологические изменения не будут происходить одновременно во всех потребительских сегментах. Различные приложения будут развиваться в своем собственном темпе и, вероятно, будут использовать разные технологические концепции. К сожалению, не будет универсальной базовой технологической базы, как это было с дизельным или газовым ДВС, а скорее будет ряд сосуществующих технологий на многие годы вперед. ДВС не исчезнет как ключевой технический вариант в будущем. Даже в 2050 году ICE, вероятно, будет базовой технологией для некоторых конкретных приложений.

   Принимая во внимание ключевые критерии покупки, связанные с ископаемым топливом (как представлено на рис. 3), и предполагая приемлемую оценку совокупной стоимости владения, наличие связующих технологий и конкретные приоритеты приложений, мы ожидаем изменения в распределении технологий, как показано справа. стороне рисунка 3.  

Рисунок 3: Ключевые критерии покупки жидкого топлива для ДВС (внутренний источник)

Хотя мы считаем, что технология ДВС будет частично заменена новыми технологиями в 2030 году, отнесенными к категории «Электрифицированные и гибридные». Уровень замещения сильно зависит от приложения. В 2030 году ICE по-прежнему будет иметь большую долю во всех потребительских сегментах. Естественно, источник топлива играет важную роль. Свою роль уже сыграют жидкие и газообразные СО2-нейтральные виды топлива. С этой целью проводятся исследования клиентов, в которых рассматриваются варианты модернизации в новой конструкции машинных отделений и т. д., чтобы транспортные средства или суда не нужно было перепроектировать или утилизировать, когда двигательная технология требует изменений. Варианты модернизации могут включать в себя что угодно: от изменения типа топлива по сравнению с гибридными решениями до совершенно новых технологий.

Резюме и заключение

Учитывая мировую гонку за нулевыми выбросами, а также важный вклад и рычаги наших отраслей, в этом информационном документе обсуждалось ожидаемое влияние Rolls-Royce Power Systems на основные рынки, и особенно на двигатели внутреннего сгорания. , среднесрочные и долгосрочные.

Сегодняшнее применение на рынке внедорожных транспортных средств в судостроении, промышленности и энергетике в значительной степени зависит от ископаемого топлива и вносит значительный вклад в выбросы парниковых газов. Для достижения целей Парижского соглашения и ограничения роста глобальной температуры значительно ниже 2°C с целью достижения 1,5°C будут предприняты активные усилия по разработке новых технологий. Мы верим, что рынок преобразится в невиданных ранее масштабах, что приведет к существенному сокращению выбросов парниковых газов.

Мы оценили внешние факторы, специфику наших рынков и приложений, осуществимость технологии и жизнеспособность развертывания. Это приводит нас к выводу, что после сценария глобального потепления в соответствии с Парижским соглашением отраслевой портфель, который раньше почти полностью базировался на ДВС, работающем на ископаемом топливе, превратится в один, треть приложений которого будет электрическим / гибридным. К 2030 году две трети из них будут основаны на ДВС. Последние будут иметь равную долю между устойчивым и ископаемым топливом. Однако есть несколько критериев, в первую очередь нормативно-правовая база и доступность инфраструктуры, которые могут либо несколько изменить баланс, либо повлиять на сроки развертывания.

Завершая это ожидание, мы видим, что принцип ДВС как таковой по-прежнему будет играть важную роль в трансформации рынка в ближайшие годы и в будущем с нулевым уровнем выбросов, особенно если устойчивые виды топлива будут доступны, как предполагалось. Тем не менее, чисто электрические решения, основанные на технологиях аккумуляторов и топливных элементов, будут все чаще внедряться, когда/если требования приложений будут действительно удовлетворены. Чтобы добиться сокращения выбросов уже в этом десятилетии, мы стремимся продвигать разработку ДВС как промежуточной технологии с использованием устойчивых видов топлива в дополнение к разработке электрифицированных решений и топливных элементов.

Для наших отраслей и других отраслей крайне важно, чтобы рыночная трансформация была обусловлена ​​твердой приверженностью отрасли, согласованной с регулирующими органами, и подходом к ней с глобальным подходом к сокращению выбросов парниковых газов. Чтобы добиться сокращения выбросов уже в этом десятилетии, мы стремимся развивать ДВС как связующую технологию с использованием устойчивых видов топлива, в дополнение к разработке электрических решений, в т.ч. приложений на основе топливных элементов.

Автор хотел бы поблагодарить следующих коллег, которые помогли в подготовке официального документа: д-р Мартин Тейгелер, д-р Даниэль Чаттерджи, Томас Бейли, д-р Петар Пелемис, Норберт Весер, Тобиас Остермайер, Лукас Брукер, Питер Семлинг

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания

Шон Кэссиди

10 декабря 2016

Представлено в качестве курсовой для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2016 г.

Введение

Рис. 1: Цикл Отто для искрового зажигания Двигатель. [2] (Источник: С. Кэссиди)

Двигатель внутреннего сгорания является одним из самых важные изобретения в истории человечества. Это произвело революцию в путешествиях автомобилем, поездом, кораблем и самолетом. Существует два основных типа двигатели внутреннего сгорания (ДВС): прерывистое и непрерывное сгорание двигатели. Четырехтактный поршневой двигатель, например, является прерывистым. двигатель внутреннего сгорания, в то время как газотурбинный двигатель использует непрерывное сгорание. IC двигатели используют сгорание топлива с окислителем для преобразования химическую энергию в чувственную энергию и работу. После зажигания, высокотемпературный газ воздействует на поршень или турбину, когда он расширяется, совершая полезную работу. Основной экзотермический углеводород реакцию горения (в воздухе) можно записать [1]

C _x H _y + w O ₂ + 3,76 w N ₂ → a CO ₂ + b H ₂ O + c О ₂ + d N ₂ + ε

, где w, a, b, c и d представляют собой молярные коэффициенты, которые зависят от конкретного углеводородного реагента и количество присутствующего воздуха, реагенты wO ₂ + 3. 76wN ₂ представляют собой инженерный воздух, а ε представляет энергию. [1] Однако на практике диоксид углерода, азот, и кислород не являются единственными продуктами горения. Такие виды, как оксид азота (NO), диоксид азота (NO ₂ ) и углерод монооксид (CO) также являются обычными продуктами реакции, и их можно найти в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания. [1] Кратко рассмотрим два двигателя внутреннего сгорания. представлены здесь: поршневой двигатель с искровым зажиганием и газотурбинный реактивный двигатель.

Двигатель с искровым зажиганием

Термодинамический цикл Отто описывает идеальный двигатель с искровым зажиганием. Топливно-воздушная смесь всасывается в поршень в постоянное давление (1-2), а затем изоэнтропически сжимается до тех пор, пока поршень достигает верхней мертвой точки (2-3). Искровое воспламенение смеси моделируется как постоянный объемный подвод тепла к рабочему телу (3-4), который затем расширяется изоэнтропически (4-5), пока не достигнет дна мертвая точка (НМТ). При BDC тепло отводится постоянным объемом, а затем выхлопной газ выбрасывается при постоянном давлении. Схема Цикл Отто показан на рис. 1. Идеальная производительность цикла равна область, ограниченная путем процесса.

В реальном двигателе с искровым зажиганием идеализированный подвод тепла постоянного объема заменяется сжиганием топлива. В Чтобы приблизиться к идеальным условиям, текущие исследования направлены на гомогенизацию топливной смеси в камере сгорания, а также изучить время задержки воспламенения, распространение пламени и др. характеристики.

Газотурбинный двигатель

Рис. 2: Цикл Брайтона для газовой турбины Двигатель. [2] (Источник: С. Кэссиди)

Газотурбинный двигатель идеально моделируется Термодинамический цикл Брайтона. [2] Воздух поступает через впускное отверстие, сжимается изоэнтропически (1-2) и смешивается с топливом. [2] Тепло добавляется при постоянном давлении в процессе, моделирующем идеальное сгорание топлива (2-3), а газ адиабатически расширяется через сопло (3-4). [2] Процесс показан на рис. 2. Как и в случае с циклом Отто, идеальный результат работы — это область, ограниченная технологическим путем.

Настоящий газотурбинный двигатель содержит впуск, компрессор, камера сгорания, турбина и сопло. [3] Турбина подключена к компрессору, так что газ, проходящий через турбину, приводит в движение степень сжатия двигателя. [3] Воздух поступает через впускное отверстие и подается в компрессор. Сжатие часто происходит в несколько этапы. После сжатия воздух смешивается с топливом и поступает в камера сгорания. [3] Высокотемпературный газ устремляется через турбины и расширяется через сопло. [3] Весь процесс происходит постоянно, при этом газ проходит через двигатель без перерыва. [3]

Заключение

Термодинамический анализ искрового и газового газотурбинных двигателей раскрывает общие процессы, посредством которых каждый преобразует химическую потенциальную энергию в работу движения. Понимание реального химические реакции внутри двигателей дают представление о сам процесс горения и образование токсичных и экологически вредные газы. Повышение эффективности и сокращение выбросов требуют инновационных исследований с глубоким пониманием термодинамики и газодинамика, задействованная в системах двигателей внутреннего сгорания.

© Шон Кэссиди. Автор дает разрешение на копировать, распространять и отображать это произведение в неизмененном виде, с ссылка на автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, сохраняются за автором.

Каталожные номера

[1] К. Уорк, Усовершенствованная термодинамика для Engineers (McGraw-Hill, 1995), гл. 10.

[2] Ю. Ценгель и М. Болес Термодинамика: Ан Инженерный подход , 7-е издание (McGraw-Hill, 2011), гл. 9.

[3] С. Фарохи, Авиадвижение , 2-й Издание (Wiley, 2014), гл. 4.

Двигатели внутреннего сгорания Road Forward

А вот и Nissan Leaf и Chevy Volt, первые участники рынка электромобилей США и конечные продукты более чем 20-летнего автомобильного новаторства и передовых исследований и разработок.

Защитники окружающей среды и защитники экологически чистых автомобилей, а также преданные сторонники государственных полисов, покупателей автомобилей и инженеров возвещают о том, что Leaf, Volt и другие электромобили (EV), которые должны появиться в ближайшие несколько лет, станут символами надежды на чистую энергию. -эффективная транспортировка.

Время покажет, закрепятся ли новые автомобили с батарейным питанием на рынке. Но на данный момент технология, которую электромобиль призван однажды заменить, — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), — процветает и получает значительный прогресс в исследованиях и разработках.

Двигатель Ниссан Лиф. В университетах, национальных лабораториях и корпоративных научно-исследовательских центрах инженеры и ученые проводят исследования для повышения эффективности конструкции и производительности двигателя внутреннего сгорания для всего спектра транспортных средств, включая легковые автомобили, легкие грузовики, внедорожники и тяжелые транспортные средства. . Исследования и разработки направлены как на двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием, так и на дизельные двигатели внутреннего сгорания, и большая их часть сосредоточена на контроле выбросов.

«Я бы сказал, что целью и стратегией текущих исследований в области двигателей внутреннего сгорания является сокращение выбросов», — сказал Сонг-Чарнг Конг, профессор инженерии Университета штата Айова в Эймсе, в котором находится лаборатория двигателей внутреннего сгорания. «Федеральные стандарты выбросов строгие, и все производители двигателей должны соответствовать этим стандартам».

Сокращение выбросов

Двигатели внутреннего сгорания создают загрязняющие вещества из-за несовершенного процесса сжигания бензинового топлива и его смешивания с воздухом в камерах двигателя. С 1974 года основной защитой автомобильной промышленности от загрязнения воздуха в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием является каталитический нейтрализатор, который улавливает окись углерода и другие загрязняющие вещества и преобразует их в двуокись углерода и воду, которые выбрасываются в атмосферу.

Интерьер Chevy Volt. Пока CO ₂ контроль по-прежнему вызывает раздражение у производителей двигателей, исследователи в последние годы добились определенных успехов в снижении выбросов оксидов азота (NO _x ) с помощью технологии воспламенения от сжатия гомогенного заряда (HCCI), процесса, который включает низкотемпературное сгорание. «Снижение температуры сгорания позволяет нам предварительно обрабатывать выбросы NO _x , по существу улавливая их до того, как они попадут в каталитический нейтрализатор», — сказал Кирби Чепмен, директор Лаборатории двигателей внутреннего сгорания Канзасского государственного университета.

Исследовательские программы по очистке дизельных двигателей в основном представляют собой стратегии последующей обработки. Юго-западный научно-исследовательский институт (SwRI) в Сан-Антонио, штат Техас, запустил Clean Diesel-V, исследовательскую программу по снижению выбросов двигателей за счет высокоэффективного сгорания, усовершенствованного наддува и регулируемых систем срабатывания клапанов. «В течение 20 лет мы работаем над развитием технологии экологически чистых дизельных двигателей», — сказал Чарльз Э. Робертс, инженер отдела исследований двигателей, выбросов и транспортных средств SwRI. «Мы стремимся к тепловому КПД 50%, что позволит добиться прогресса в сокращении выбросов».

Виктор Вонг, главный научный сотрудник Слоанской автомобильной лаборатории Массачусетского технологического института, воодушевлен исследовательскими усилиями, направленными на контроль выбросов в дизельном двигателе. «За последние два года мы добились больших успехов в разработке нового поколения каталитических нейтрализаторов выхлопных газов для снижения выбросов в дизельном двигателе», — сказал Вонг. «Если новые катализаторы справятся с выбросами, исследовательское сообщество сможет оптимизировать дизельный двигатель для повышения топливной экономичности».

Исследователи из штата Айова выводят контроль за выбросами дизельных двигателей на новый уровень, запуская двигатели на биовозобновляемом топливе, чтобы достичь, возможно, самого близкого к «зеленому бензину», как это было в автомобильной промышленности. В процессе, называемом быстрым пиролизом, исследователи могут преобразовывать твердую биомассу в своего рода бионефть, свойства которой отличаются от свойств обычного топлива на основе нефти. «Это исследование находится в стадии разработки», — говорит Конг. «Двигатель и его соответствующие функции управления должны быть переработаны и перенастроены для использования биовозобновляемого топлива».

Инженеры, занимающиеся двигателями внутреннего сгорания, согласны с тем, что существуют практические пределы контроля выбросов CO ₂ в системах, сжигающих углеродсодержащее топливо, и указывают на роль других исследовательских программ, направленных на повышение эффективности использования топлива и снижение количества граммов CO ₂ , выбрасываемых в атмосферу. пройдена миля. Исследователи из таких организаций, как SwRI и Национальная лаборатория Sandia Министерства энергетики США, сотрудничают с автомобильными компаниями в области передовых технологий трансмиссии и новых материалов для снижения веса конструкции, а также других инициатив, направленных на повышение эффективности использования топлива.

Вызовы EV

В то время как исследования двигателей внутреннего сгорания продолжаются, многие люди делают ставку на то, что электромобили могут создать процветающий рынок, и введение Volt и Leaf представляет собой шаг в направлении сокращения выбросов углерода в транспортном секторе. Тем не менее, электромобиль должен преодолеть упрямые барьеры стоимости и производительности, чтобы завоевать популярность у широкой публики. Стоимость батареи для электромобиля составляет от 10 000 до 15 000 долларов США, и это для источника питания, обеспечивающего запас хода всего около 55 миль. Учитывая ограниченный запас хода, батареи потребуют частой подзарядки, что затруднительно для автомобилиста, выезжающего далеко от дома, поскольку инфраструктуры для обслуживания электромобилей пока не существует.

Пока бизнес электромобилей не решит эти проблемы, кажется, что проверенный и надежный двигатель внутреннего сгорания, по крайней мере, в течение следующих нескольких лет, не пойдет по пути хромированных бамперов и хвостовых плавников.

За последние два года мы добились больших успехов в разработке нового поколения каталитических нейтрализаторов выхлопных газов для снижения выбросов в дизельном двигателе. Виктор Вонг, главный научный сотрудник Слоанской автомобильной лаборатории Массачусетского технологического института.

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания преобразуют химическую энергию топлива (бензин, дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ, природный газ и т. д.) в механическую энергию. Топливо производит тепловую энергию, вступая в химическую реакцию с воздухом в камере сгорания двигателя. Вырабатываемое тепло увеличивает давление газа в камере сгорания, что заставляет поршень двигаться.
Двигатели можно классифицировать по следующим критериям:
•          Тип топлива
•          Расположение цилиндров
•          Время работы
•          Формирование смеси
•          Тип зажигания (искровое зажигание – воспламенение от сжатия)
•          Техника охлаждения (с воздушным или водяным охлаждением)
•          Метод заполнения цилиндров (без наддува – с турбонаддувом – с наддувом)
•          Устройство клапана

Смазочные материалы, используемые в двигателях транспортных средств, оцениваются на основе типа топлива, а соответствующие стандарты и спецификации масел устанавливаются определенными органами.

 
Мы можем классифицировать двигатели на основе их типов топлива как бензиновые, дизельные, сжиженные нефтяные и газовые, а также сравнить и сопоставить некоторые из их основных характеристик следующим образом.

Дизельные двигатели и бензиновые двигатели

• Дизельные двигатели не требуют свечей зажигания.
• Они имеют более высокую степень сжатия и более высокую тепловую эффективность.
• Нет риска стука, так как сжимается только воздух.
• Поскольку сгорание менее контролируемо, возникают более высокие уровни вибрации и шума.
• Они имеют более высокий номинальный крутящий момент, но работают на более низких скоростях. Они достигают максимального крутящего момента при более низких оборотах.
• Поскольку они подвергаются более высокому уровню давления, они должны быть изготовлены из более прочных деталей и, следовательно, тяжелее.
• Интервалы обслуживания у них обычно больше; однако затраты на их обслуживание выше.
• Перегрев происходит реже, так как они работают более эффективно.
• Проблема холодного пуска при низких температурах встречается чаще.
• В то время как дизельные двигатели более склонны к образованию сажи и NOx из-за высокого содержания серы и азота в топливе и более высокой температуры в цилиндрах, бензиновые двигатели склонны к более высокому образованию CO из-за их более высоких рабочих оборотов.
• Хотя дизельное топливо более склонно к образованию CO ₂ из-за избыточного количества углерода в его молекуле, бензиновые двигатели обычно имеют больше выбросов CO2 из-за меньшего расхода топлива на километр.
• Поскольку в бензиновых двигателях используется более очищенное и легкое топливо, частицы обычно представляют большую проблему для дизельных двигателей. NOx более токсичен, чем выбросы CO2, поэтому дизельные двигатели обычно считаются менее экологичными.

Двигатели LPG и CNG

• CNG (Compressed Natural Gas) – это газ метан, сжатый под давлением 200–250 бар (CH ₄ ). LPG (сжиженный нефтяной газ) представляет собой сжиженную форму пропана (C ₃ H ₈ ), пропилен (C ₃ H ₆ ), бутан (C ₄ H ₁₀ ) и бутилен (C ₄ H ₁₀ ) в зависимости от соотношения газов 10 9 9 69 H 90 области при температуре 15 °C и давлении 1,7–7,5 бар.
• LPG получают из сырой нефти путем перегонки, и хотя при использовании в автомобиле он выделяет CO2, это более чистое топливо по сравнению с бензином (на 25% меньше CO2). CNG является более чистым топливом по сравнению с LPG (выбросы парниковых газов на 80% меньше, чем у автомобилей с бензиновым двигателем).
• Поскольку СПГ легче воздуха, он рассеивается в воздухе в случае утечки и безопаснее бензина. С другой стороны, сжиженный газ падает на землю, так как он тяжелее воздуха. Это трудный газ для воспламенения; однако это может быть опасно в случае аварии.
• Поскольку LPG и CNG имеют меньше углеводородных связей, чем бензин и дизельное топливо, они содержат меньше энергии. LPG (пропан) имеет примерно в 2,5 раза более высокую теплотворную способность, чем CNG.
• Все бензиновые двигатели могут быть переведены на LPG и CGN. Поскольку LPG и CNG содержат меньше энергии, чем бензин, это может привести к потере мощности при переоборудовании автомобиля на бензин (около 10% для LPG).
• Так как двигатели CNG имеют меньше продуктов сгорания (сажи) (не содержат свинца, бензола и т.д.), моторное масло остается более чистым, а свечи зажигания не засоряются.
• LPG и CNG обладают меньшей смазывающей способностью, чем бензин и дизельное топливо, что вызывает увеличение износа клапанов, но положительно влияет на смазывание поршневых колец.
• Так как LPG занимает меньше места, его удобнее использовать в легковых автомобилях.
• Топливо, используемое для достижения того же уровня мощности, что и в СПГ, повышает температуру в цилиндрах примерно на 200°C, что сокращает срок службы и снижает прочность этих металлических деталей, а также ускоряет окисление моторного масла.

Что, если в этом году запретят все двигатели внутреннего сгорания?

Представьте себе мир, в котором двигатели внутреннего сгорания (ДВС) полностью запрещены. Однако не через 10, 20 и даже не 30 лет, а через год.

Безусловно, это агрессивная политика, но она, безусловно, ускорит сокращение использования ископаемого топлива и, возможно, поможет нам лучше выполнить наши климатические цели. Или так мы можем себе представить.

Но что произойдет, если мы так быстро запретим двигатели внутреннего сгорания? Как этот ход будет выглядеть на самом деле, и какие препятствия нам придется преодолеть. Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужно иметь полное представление о том, какую именно роль эта технология играет в нашем мире, и понимать, по крайней мере, несколько всесторонне, сколько технологий, товаров и услуг, от которых зависят люди (или, по крайней мере, хотят ) в их повседневной жизни, которые, в свою очередь, зависят от него.

Что такое двигатели внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой разновидность теплового двигателя. Фактически, они являются наиболее распространенной формой на сегодняшний день. Хотя подробное обсуждение внутренней работы типичного двигателя внутреннего сгорания выходит за рамки этой статьи, краткий обзор, вероятно, будет полезен.

Источник: Georg Slickers/Wikimedia Commons

Как следует из названия, эти типы двигателей сжигают (или сжигают) топливо (в присутствии окислителя) внутри частей двигателя, называемых камерой сгорания. При этом высвобождаются газы с высокой температурой и давлением, которые можно использовать для перемещения механических частей, таких как поршень, лопатка турбины, ротор или сопло, для выполнения полезной работы.

Сжигание материалов для получения энергии — одно из самых ранних открытий человечества, а внутреннее сгорание — всего лишь естественная эволюция той ранней ступеньки в нашем развитии, которая началась с огня. Они относительно просты по своей концепции, но конструкция двигателей внутреннего сгорания может быть довольно сложной.

Однако эти усилия того стоят, поскольку они невероятно мощны по сравнению с альтернативными формами двигателей или энергии (такими как грубая сила животных или человека).

Результат многовековой разработки различных устройств на основе внутреннего сгорания (особенно паровых двигателей), первый коммерчески жизнеспособный образец ДВС был произведен Этьеном Ленуаром примерно в 1860 году. Однако первым современным двигателем внутреннего сгорания, как мы узнали, был разработал великий Николаус Отто в 1876 году. 

Остальное, как говорится, уже история.

Насколько важен двигатель внутреннего сгорания?

Мы зависимы от ископаемого топлива, так нам говорят. Но на самом деле то, от чего мы на самом деле «зависимы», — это инфраструктура. Семантика, может быть, но это очень важное различие.

Инфраструктура — это не только дороги и здания, которые могут быть первыми, что приходят на ум. Скорее, это вся сеть вещей, которую мы как вид построили на протяжении тысячелетий.

Включает бесчисленное множество взаимозависимых систем. Например, это включает в себя обработку, транспортировку и доставку предметов первой необходимости, таких как еда и вода, до предметов роскоши высокого класса, таких как ваши любимые швейцарские часы или бутылка испанского вина. Все это было бы невозможно с базовой инфраструктурой (как на местном, так и на международном уровне). Если, конечно, у вас не завалялся репликатор в стиле «Звездного пути».

Но мы перевозим не только товары. Возим детей в школу и обратно, больных в больницы, а себя на встречи с друзьями и близкими. Мы убираем материалы с нашего пути и закладываем необходимый фундамент, чтобы мы могли строить наши школы, больницы и дома (и снабжать их водой, энергией, теплом и так далее и тому подобное).

Куда ни глянь, везде есть наша инфраструктура, обеспечивающая все, что нужно лично тебе, и обеспечивающая функционирование наших городов. И большая часть этой инфраструктуры зависит от двигателей внутреннего сгорания.

Большая часть нашей инфраструктуры основана на двигателях внутреннего сгорания, таких как электростанции. Чтобы адекватно заменить их, нам понадобятся такие вещи, как ядерная энергия. Источник: yangna/iStock

В течение последних нескольких сотен лет основная часть этой системы питалась за счет давно умерших останков древних растений и животных. И это тоже очень хорошо послужило нам. Люди стали более образованными, чем когда-либо прежде. Они живут дольше и здоровее, чем когда-либо прежде.

ДВС также крайне важны для производства электроэнергии с помощью газовых турбин и по-прежнему являются нашим основным способом достижения космоса.

Источник: grizzzley/Flickr

Изобретение двигателя внутреннего сгорания (ДВС) более ста лет назад стало важной частью этого процесса. Эта единственная технология была одним из самых важных изобретений в истории человечества, изменившим почти все аспекты нашей жизни.

Самые популярные

Хотя мы могли производить вещи и перемещать их, даже на большие расстояния, задолго до изобретения ДВС, эффективность, надежность и скорость, с которой ДВС обеспечивают этот процесс, не имеют ничего общего с тем, что мы видели раньше. ДВС

также довольно эффективны, особенно по сравнению с опциями, доступными для предыдущих поколений. КПД газовых турбин приближается к 60%, а современные бензиновые автомобильные двигатели приближаются к 35-40%. Это может показаться не таким уж привлекательным; однако, чтобы представить это в перспективе, сжигание таких вещей, как дрова в открытом огне или камине, имеет эффективность около 10-20%, солнечная фотоэлектрическая энергия составляет около 20%, а ветряные турбины могут увеличить эффективность до 50%.

Проблема с двигателями внутреннего сгорания

По самой своей природе двигатели внутреннего сгорания выделяют много газов и других загрязняющих веществ, которые, как было показано, способствуют глобальному потеплению.

Тем не менее, за последние несколько десятилетий технология ДВС стремительно развивалась в плане воздействия на окружающую среду. Все большее внимание уделяется милям на галлон (километрам на литр), а не милям в час (километрам в час), что сделало современные двигатели более эффективными, менее загрязняющими окружающую среду и более компактными. Двигатели внутреннего сгорания также очень долговечны и могут даже использовать ряд видов топлива, включая возобновляемые и альтернативные виды топлива, такие как биодизель или биоэтанол. Мало того, их можно комбинировать с электрическими силовыми агрегатами для создания гибридных автомобилей.

Хотя мы никогда не сможем полностью удалить все выбросы из двигателей внутреннего сгорания (в конце концов, они представляют собой форму сгорания), сегодня они совсем другие звери, чем когда они только появились.

Тем не менее, это обоюдоострый меч, который, по мнению многих, необходимо пресекать в зародыше как можно скорее. Так как бы это было, если бы мы запретили их через год? Для начала давайте рассмотрим только одну технологию, которую мы используем каждый день.

Использование холодильника

Прежде чем мы начнем использовать холодильник, его нужно построить. Это требует поиска, очистки, обработки и транспортировки его основных компонентов для сборки на заводе. На каждом этапе этого процесса в какой-то момент используется ДВС — будь то питание горнодобывающих машин, которые вывозят руду, или поездов, грузовиков и кораблей, которые перевозят руду, или перерабатывающий завод, который перерабатывает руду.

Сама фабрика холодильников, скорее всего, будет использовать электричество для освещения и работы завода. Это часто будет включать производство энергии с использованием какой-либо формы турбины (полностью или частично).

После того, как единица будет построена, ее нужно будет доставить в розничный магазин или на склад поставщика электронной коммерции, где ее можно будет приобрести. Скорее всего, это будет кузов грузовика или корабля, а сам магазин будет питаться от электричества.

Из магазина холодильник нужно будет доставить на дом — опять же на каком-нибудь транспортном средстве с ДВС.

Источник: W.carter/Wikimedia Commons

После того, как двигатели внутреннего сгорания будут подключены к сети, они потребуются для работы холодильника и, что более важно, для хранения продуктов. Это связано с тем, что в большинстве домов используется электроэнергия, поставляемая из сети, которая, в зависимости от того, где вы живете, по крайней мере частично вырабатывается двигателями внутреннего сгорания.

Это аналогичная история для большинства других аспектов вашей жизни, и она охватывает все, от очевидных до менее часто обсуждаемых аспектов инфраструктуры, таких как водоснабжение, удаление отходов, канализация и т. д. Если вы когда-либо играли в такие игры-симуляторы, как SimCity, вы поймете сложность и важность хорошо спроектированной и обслуживаемой инфраструктуры. Большую часть из них обеспечивают двигатели внутреннего сгорания.

Но что именно произойдет, если мы запретим все двигатели внутреннего сгорания в установленную дату через год?

Что произойдет, если через год мы запретим двигатели внутреннего сгорания?

Самый очевидный вопрос для начала: «Можем ли мы прожить без них через год?»

Ответ на этот вопрос во многом будет зависеть от того, где вы живете, и от ваших личных привычек. Для горожан полное отсутствие двигателей внутреннего сгорания кардинально изменило бы жизнь. Для тех, кто более самостоятелен или живет в сельской местности, воздействие может быть гораздо менее критичным и, вероятно, более раздражающим.

Если, конечно, вы не фермер или вам не приходится преодолевать большие расстояния до больницы, места посвящения и т. д. 

Города потребляют огромное количество энергии. ICE обеспечивают большую часть этого сегодня. Источник: Benh LIEU SONG/Wikimedia Commons

Теперь, когда все двигатели внутреннего сгорания официально запрещены, на дорогах очень быстро станет очень тихо. Никаких автомобилей, никаких грузовиков, никаких автобусов (за исключением полностью электрических транспортных средств), мечта некоторых сбылась.

В зависимости от того, как далеко находится ваш офис или школа, это может занять некоторое время пешком или на велосипеде. В этот момент вы можете начать задаваться вопросом, хорошая ли идея завести лошадь.

Однако вы также, вероятно, столкнетесь со значительными перебоями в подаче электроэнергии, возможно, даже с полным отключением вещей, которые вы обычно считаете само собой разумеющимися, например, интернета или кофеварки.

Только в Соединенных Штатах ископаемое топливо обеспечивает около 60% общего объема электроснабжения.

Примерно с 2000 года использование возобновляемых источников энергии только увеличилось с 356 миллиардов киловатт-часов до 792 миллиардов киловатт-часов и в настоящее время составляет около 20% от общего объема производства электроэнергии в США по стране в целом. Несмотря на устойчивый рост и ускорение, для достижения этого потребовалось 20 лет. Атомная энергетика обеспечивает еще 20% или около того. Однако это по-прежнему оставляет нам только около 40% текущих мощностей по производству энергии.

Теперь, когда турбины ДВС запрещены, каждый день теряется много энергии. Маловероятно, что этот дефицит удастся восполнить за один год. Это делает весьма вероятным, что вы будете видеть регулярные отключения электроэнергии.

Источник:  A Siegel/Flickr

Именно это недавно произошло в Ливане, когда в стране возникли проблемы с поставками природного газа для двух крупнейших электростанций, которые были вынуждены закрыться. Как и в Ливане, вы, вероятно, обнаружите, что нормирование энергии вот-вот станет «новой нормой».

У нас тоже есть аналог только этого года в США. В начале этого года Техас пострадал от очень серьезного энергетического кризиса, поскольку зимние штормы фактически вывели из строя большую часть систем производства электроэнергии в штате.

Это быстро привело к нехватке еды, воды и, самое главное, тепла в период очень холодной погоды.

Из-за ограниченного количества электроэнергии, поставляемой сетью, многие другие услуги, вероятно, сильно пострадают. Вы, вероятно, найдете нестабильный доступ в Интернет только дома и, например, с вышек сотовой связи. Но тогда вы все равно тратите слишком много времени в Интернете, верно?

Если вы работаете из дома, это может быть немного сложно. К счастью, вы инвестировали в производство возобновляемой энергии в домашних условиях, так что с вами все в порядке.

Источник: Pathompong Thongsan/iStock

Пока что у вас, вероятно, все еще есть хороший запас еды, воды и других предметов первой необходимости, таких как необходимые лекарства — в конце концов, вы получили предупреждение за год. Однако при ограниченном питании другие важные элементы инфраструктуры, такие как водяные насосы, скорее всего, не будут работать.

Итак, вы можете быстро заметить резкое сокращение подачи воды — вероятно, и ее теперь будут нормировать. Надеюсь, у вас дома будет сбор дождевой воды.

Будем надеяться, что в вашем районе не случится пожара. Гидрантные насосы могут не работать — как это произошло в Техасе во время кризиса с электроэнергией в 2021 году. 

Магазины (если в них есть электричество) по-прежнему заполнены, но молочные и другие скоропортящиеся продукты больше нельзя хранить в холодильниках. Зимой может и не критично, но скоро будет.

Это при условии, что вы действительно можете снимать наличные или использовать свою карту для покупок, конечно.

Надеюсь, в больницах вложили средства в собственные электрогенераторы без ДВС. Если нет, то очень скоро возникнут очень серьезные проблемы. При ограниченной мощности отделения интенсивной терапии и все их чувствительное оборудование, скорее всего, отключатся. Если не будут найдены другие средства для обеспечения жизнеобеспечения пациентов больницы, люди умрут очень быстро.

Источник:  Mr. Ilkin/iStock

Надеюсь, погода будет приятной, так как в разгар лета вы, вероятно, не сможете включить кондиционер. Если на улице холодно, вы, вероятно, все еще можете использовать свой газовый котел (технически это не ДВС), но для электрических систем отопления у вас могут быть некоторые проблемы.

Пора одеться, или, если вам посчастливилось иметь камин или горелку, возьмите дрова и разожгите огонь. Просто убедитесь, что огонь локализован, так как пожарной команде может быть трудно помочь вам.

Если вы пожилой человек, любое нарушение вашей способности отапливать дом может оказаться фатальным. Гипотермия (и, если уж на то пошло, гипертермия) может наступить относительно быстро, что для человека, прикованного к дому, возможно, живущего в одиночестве, является трагическим сочетанием. Если отопление/охлаждение обеспечивается электричеством, поставляемым из сети, а погода ненастная в течение длительного периода времени (например, зима), более холодные части мира вот-вот потеряют много своих почтенных жителей.

Все очень тревожно. И вышесказанное касается только вершины айсберга. В конце концов, глобальная инфраструктура непостижимо сложна. Почти невозможно предсказать последствия искусственного изменения даже небольшой его части за невероятно короткий период времени, не говоря уже о запрете всех двигателей внутреннего сгорания (которые составляют не малую, а очень большую часть).

Таким образом, полный и незамедлительный запрет на двигатели внутреннего сгорания кардинально повлияет на многие аспекты нашей современной жизни. Подобно воздействию кибератаки, электромагнитного взрыва или солнечной бури на нашу энергосистему, потеря почти 50% доступной мощности в одночасье будет катастрофической.

Еда быстро закончится, перебои с электричеством станут обычным явлением, и многие больные и старые умрут в течение нескольких недель. Если предположить, что в обществе сохраняется какое-то подобие порядка, голод, обезвоживание и воздействие стихии также могут иметь место, и, вероятно, произойдут вспышки болезней.

Источник: photojojo3/Flickr

Возможно, гипербола, но полная немедленная потеря двигателей внутреннего сгорания была бы сродни очень серьезной и глобальной катастрофе, подобной которой мы никогда не видели.

Худшая часть? Все это было совершенно искусственно.

Что нужно сделать, чтобы уменьшить влияние запрета ICE?

К счастью, никто не предлагает немедленного запрета на ICE, а скорее постепенного отказа в течение гораздо более длительного периода времени. Короче говоря, планирование будет иметь важное значение.

Полная и честная оценка важности двигателей внутреннего сгорания будет первым заказом обслуживания. Используя этот аудит, потребуется эффективная стратегия для определения ключевых областей инфраструктуры, которым потребуются альтернативы, отличные от ICE.

Любая замена должна быть надежной, прочной и соответствовать задаче замены оборудования, такого как турбины, работающие на природном газе, и т. д. Транспортные средства, конечно, могут быть заменены полностью электрическими альтернативами (что и так происходит) ), но сначала нужно устранить проблемы, которые возникнут из-за потери значительного процента выработки электроэнергии.

Проблема здесь в том, что электростанции, будь то ядерные, возобновляемые или более традиционные, требуют много времени для ввода в эксплуатацию и строительства.

Источник:  Sembcorp

Атомные электростанции были бы наиболее очевидной заменой электростанций, работающих на природном газе, но их ввод в эксплуатацию требует невероятно трудоемких, финансовых и временных затрат. В зависимости от типа, типичная атомная электростанция строится от 80 до 120 месяцев. Но одобрение может занять гораздо больше времени.

Возобновляемые электростанции, такие как солнечные фотоэлектрические батареи, ветряные электростанции и т. д., иногда строятся быстрее, но вам потребуется их много, чтобы заменить электростанции, работающие только на природном газе. Например. по некоторым оценкам, установка ветропарка мощностью 10 МВт занимает около двух месяцев, а фермы мощностью 50 МВт – 6 месяцев.

Но это при условии, что земля свободна и нормативная база действует. Ветряным электростанциям нужно много места! Такие оценки также предполагают, что фактические турбины готовы к установке и их не нужно предварительно строить.

Другим потенциальным решением является значительное увеличение децентрализованной выработки электроэнергии с использованием фотоэлектрических, ветровых или других возобновляемых источников энергии в домашних условиях. Возложение бремени на предприятия, частных лиц и отдельные города или районы, чтобы они «подготовились», могло бы стать шагом вперед.

Однако это также в значительной степени зависит от навыков и ресурсов, доступных для предоставления подрядчикам возможности удовлетворить резко возросший спрос на их услуги. Но, при всем желании, присущие технологии возобновляемых источников энергии (например, отсутствие солнца или ветра), скорее всего, потребуют какой-либо формы резервного производства электроэнергии или системы хранения энергии.

Такие системы тоже недешевы. Им потребуются значительные финансовые стимулы или поддержка, чтобы каждый бизнес и каждый дом стали эффективно самостоятельными.

Источник:  Тим Моссхолдер/Unsplash

Все хорошо, но процесс полной замены примерно половины национальных энергосистем либо на централизованные возобновляемые источники энергии, либо на самостоятельную генерацию от здания к зданию потребует много труда и ресурсов. . Скорее всего, не будет достаточно обученных и квалифицированных работников, чтобы сделать это достаточно быстро для нашего сценария бедствия, хотя это, безусловно, выполнимо в более медленном темпе.

Если предположить, что это возможно, это только половина дела. Нам все еще необходимо адекватно заменить все другие жизненно важные части инфраструктуры, которые в значительной степени зависят от двигателей внутреннего сгорания. Массовым транспортным средствам, коммерческим грузовым автомобилям (самолетам и грузовикам) и личному транспорту потребуются электрические альтернативы. Сейчас просто нет возможности это сделать.

Дроны еще далеко не готовы наверстать упущенное, а до автоматизированных логистических транспортных средств еще далеко — если они когда-нибудь появятся.

Если бы эти критически важные части нашей инфраструктуры не могли быть решены, у людей очень, очень быстро закончились бы основные ресурсы (еда, вода, лекарства и т. д.) при нашем сценарии бедствия. Глобальная торговля, вероятно, также рухнет, а также туризм и путешествия (как внутренние, так и международные).

Мир станет очень маленьким, очень быстро. Для стран не исключена внезапная балканизация со всеми вытекающими из этого социально-экономическими последствиями.

Источник: Иван Радич/Flickr

Мягко говоря, нехорошо. Но и очень плохой случай.

Вышеизложенное является всего лишь мысленным экспериментом, и, как уже говорилось, никто не планирует радикальной политики запрета всех ICE всего за один год или даже в ближайшие несколько лет. Но это пища для размышлений, особенно если нам нужно будет найти способ резко сократить использование ископаемого топлива в ближайшем будущем.

Несмотря на то, что невозможно устранить все ICE, необходимо решить реалистичную и хорошо управляемую конверсию критически важных частей нашей инфраструктуры, чтобы избежать катастрофического результата.

Если мы собираемся внести серьезные изменения, например, полностью исключить двигатели внутреннего сгорания из нашей инфраструктуры, то это должно быть сделано разумно, с учетом и планированием, чтобы вызвать минимальное нарушение работы системы в целом.

Как говорится, медленнее и настойчивее выигрываешь гонку.

More Stories

наука
Ученые зафиксировали первое в истории наблюдение взрывного слияния нейтронных звезд в миллиметровом свете

Крис Янг| 03. 08.2022

инновации
Турецкий робот для пересадки волос «прямо из научно-фантастического фильма»

Баба Тамим| 08.09.2022

культура
Крупнейшая в мире морская ветряная электростанция, обеспечивающая электроэнергией 1,4 миллиона домов, запущена

Ameya Paleja| 01.09.2022

Начало конца автомобиля с двигателем внутреннего сгорания?

«Ожидается, что новая политика, подробно описанная в среду утром на пресс-конференции, ускорит глобальный переход к электромобилям», — сообщили Корал Дэвенпорт, Лиза Фридман и Брэд Плюмер для The New York Times 24 августа9.0005

«Правило устанавливает ежегодную дорожную карту, чтобы к 2035 году 100% новых автомобилей и легких грузовиков, продаваемых в Калифорнии, были автомобилями с нулевым уровнем выбросов, включая подключаемые гибридные электромобили», — говорится в прессе от 25 августа. выпущен Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB), регулирующим органам, которым поручено улучшить самое худшее в стране качество воздуха в штате и принять правила для соблюдения строгих стандартов штата по сокращению выбросов парниковых газов.

Регламент реализует и систематизирует цели в отношении легковых автомобилей, изложенные в Исполнительном указе губернатора Ньюсома N-79.-20.

[ Связанный пост : Исчезнет к 2035 году: Срок годности продаж автомобилей с бензиновым двигателем истекает в Калифорнии, 24 сентября 2020 г.]

То, что происходит в Калифорнии, не остается там крупнейшим автомобильным рынком в Соединенных Штатах, но более дюжины других штатов обычно следуют примеру Калифорнии, устанавливая свои собственные стандарты выбросов автомобилей», — добавляют Давенпорт, Фридман и Плюмер.

В разделе 177, известном как раздел Закона США о чистом воздухе, который касается выбросов выхлопных газов, все, кроме двух из пятнадцати штатов, могут принять Калифорнийскую программу транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. [См. соответствующий тег.]

Если эти штаты добьются своего и большинство из них, как ожидается, примут аналогичные правила, ограничения будут применяться примерно к трети автомобильного рынка США.

«Это огромно», — сказала Марго Оге, эксперт по электромобилям, которая возглавляла программу Агентства по охране окружающей среды по транспортным выбросам при президентах Билле Клинтоне, Джордже Буше-младшем и Бараке Обаме. По мере того, как новые штаты внедряют свои собственные версии этой политики, «они будут стимулировать рынок и инновации», — сказала она.

Впереди вызов энергосистемы

Выступая на CNN в субботу утром, ведущая Амара Уокер спросила Оге:

«Я уверена, что вы слышите… электромобилей, особенно с уже нагруженной рекордной жарой электросетью. А как насчет значительных инвестиций в сетевую инфраструктуру, потому что теперь на дорогах будут миллионы аккумуляторных электромобилей или даже электромобилей на топливных элементах?»

Оге признал существующую напряженность, которая заставила губернатора Ньюсома рассмотреть вопрос о продлении срока службы единственной оставшейся в штате атомной электростанции, которую планировалось закрыть в 2025 году, и четырех старых электростанций, работающих на природном газе.

«То, что я слышу от экспертов, касается не столько количества электромобилей, которые будут заряжаться ежедневно, сколько времени дня, когда эти зарядки будут производиться», — ответил Оге.

«Например, я живу в Лос-Анджелесе, и Эдисон в Южной Калифорнии давал мне отличный тариф, если я заряжал свою машину в любое время дня, кроме как с 4:00 до 9:00.:00. Так что для меня это все равно, что потратить 2 доллара на бензин…»

[Средняя цена бензина в Калифорнии на 28 августа: 5,28 доллара за галлон]

Что насчет правоприменения?

Что, если потребители автомобилей не будут сотрудничать? Фридман и Плумер из Times написали 26 августа, что план устанавливает «строгие ограничения на то, что автопроизводители могут и не могут продавать. Невыполнение этих целей влечет за собой угрозу суровых наказаний».

Цели, согласно CARB: «Новый регламент ускоряет выполнение требований, согласно которым автопроизводители должны ежегодно поставлять все большее количество легковых автомобилей с нулевым уровнем выбросов, начиная с 2026 модельного года. Продажи новых ZEV и PHEV начнутся с 35% в этом году, сборка до 68% в 2030 году и достичь 100% в 2035 году».

«Если автопроизводители не соблюдают требования, им грозит штраф в размере 20 000 долларов за каждый новый автомобиль, проданный с нарушением целевых показателей», — добавляют Фридман и Плюмер.

Поскольку эта сумма намного превышает норму прибыли типичного легкового автомобиля, маловероятно, что компании захотят платить штраф, считают эксперты.

«Калифорния хорошо соблюдает свои правила», — сказал Дэн Беккер, директор кампании за безопасный климатический транспорт в Центре биологического разнообразия. «Компании на свой страх и риск нарушают эти правила».

Связанный :

• По мере роста продаж электромобилей выбросы от транспорта продолжают расти, 20 мая 2019 г. 
• Электромобили сами по себе не сократят выбросы для достижения климатической цели Калифорнии, 29 ноября 2018 г.