Схемы систем питания двигателей внутреннего сгорания

Под системой питания понимают группу приборов и устройств, которые обеспечивают двигатель чистыми топливом и воздухом и участвуют в приготовлении топливовоздушной смеси. У двигателей, устанавливаемых на различные тракторы, количество этих приборов и их устройство может быть различным.

Устройство и действие системы питания дизелей. Наиболее полная схема системы питания дизеля представлена на рисунке 1.

1 — топливный насос высокого давления; 2 — фильтр тонкой очистки; 3 — воздухоочиститель; 4 — индикатор засоренности; 5 — бачок; 6 — подогреватель; 7 — заслонка; 8 — турбокомпрессор; 9 — глушитель-искрогаситель; 10 — указатель уровня топлива; 11 — топливный бак; 12 — фильтр отстойник; 13 — топливный насос низкого давления — подкачивающая помпа; 14 — регулятор; 15 — форсунка; 16, 17 — сливные трубки.

Топливо заливается в бак 11. Уровень топлива, находящегося в баке, можно контролировать по указателю 10. Топливо из бака по трубке направляется в фильтр-отстойник 12, где очищается от грубых механических примесей и воды, и поступает к подкачивающему насосу 13. Подкачивающий насос захватывает топливо и под небольшим давлением проталкивает через фильтр тонкой очистки 2, а затем подает уже полностью очищенное — в топливный насос 1 высокого давления. Из насоса 1 топливо в нужный момент и в необходимом количестве под высоким давлением направляется к форсунке 15, которая впрыскивает его в мелкораспыленном виде в камеру сгорания дизеля. Топливо, просочившееся через зазоры между деталями форсунок, от одной из них направляется по трубке 16 в турбокомпрессор для смазки клапанов механизма газораспределения, а от остальных — по трубке 17 сливается в топливный бак 11. Воздух, подаваемый в цилиндры двигателя, очищается от механических примесей в воздухоочистителе 3, а затем прямо или через турбокомпрессор 8 (в зависимости от конструкции дизеля) направляется в цилиндры, где и происходит смесеобразование. Состояние воздухоочистителя у некоторых тракторов можно контролировать при помощи встроенного индикатора засоренности 4. Необходимая частота вращения коленчатого вала при изменяющейся нагрузке на двигатель автоматически поддерживается регулятором 14. Для быстрой остановки двигателя при аварийной ситуации служит заслонка 7, а для облегчения пуска дизеля в холодную погоду на некоторых из них ставят электрофакельный подогреватель 6, получающий топливо из бачка 5. Отработавшие газы из цилиндров выходят в атмосферу через глушитель 9.

Устройство и действие системы питания карбюраторного двигателя существенно отличаются от системы питания дизелей большей простотой.

1 — глушитель; 2 — топливный бак; 3 — фильтр-отстойник; 4 — трубка; 5 — воздухоочиститель; 6 — карбюратор; 7 — регулятор.

Топливо из бака 2 (рис. 2) самотеком поступает в фильтр-отстойник 3, где очищается от механических примесей и воды. В тех случаях, когда топливный бак расположен ниже карбюратора, в системе применяется насос низкого давления, подающий топливо под давлением. Очищенное топливо по трубке 4 поступает в карбюратор 6, где распиливается и перемешивается с воздухом, очищенным от пыли в воздухоочистителе 5 в нужной пропорции. Заданная частота вращения коленчатого вала во время работы двигателя автоматически поддерживается регулятором 7. Отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу через глушитель 1. [Семенов В. M., Власенко В. Н. Трактор. 1989 г.]

Система питания двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить экономичность и уменьшить токсичность двигателя внутреннего сгорания. Система питания двигателя внутреннего сгорания содержит проточный воздушный канал с дроссельной заслонкой, дозирующую систему подачи топлива и электролизер с блоком управления и системой подачи электролита, подключенный газовой полостью к проточному воздушному каналу. Дозирующая система подачи топлива подключена к электролитной полости электролизера. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внутреннего сгорания, и служит для формирования и подачи топливной смеси в двигатель внутреннего сгорания.

Для питания двигателей внутреннего сгорания обычно используются системы, имеющие устройства для корректировки состава смеси. Известны системы питания, работающие на жидком и газообразном топливе одновременно, что позволяет снизить токсичность отработавших газов и повысить октановое число топлива.

Из известных наиболее близким по технической сущности является система питания карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (RU 2006647 C1, F 02 M 21/02). Ее схема приведена на фиг.1. Система содержит карбюратор 1, имеющий главный воздушный канал с диффузором 2, смесительную камеру 3, дроссельную заслонку 4, топливную поплавковую камеру (или иной регулятор) 5, подключенную к главной дозирующей системе 6, снабженной топливным 7, эмульсионным 8 и воздушным 9 жиклерами, систему 10 холостого хода, электролизер 11, электролитную поплавковую камеру (или иной регулятор) 12 и блок управления 13. Питание системы осуществляется из электролитного бака 14 и топливного бака 15. Блок управления 13 содержит блок 16 формирования эталонного сигнала с подключенным к нему датчиком 17 температуры двигателя и вакуум-датчиком 18, усилитель 19 входного сигнала с подключенным к нему кислородным датчиком 20, дифференциальный усилитель 21, вход которого соединен с блоком 16 и усилителем 19, а выход подключен к усилителю 22 мощности, который является регулятором тока электролизера 11.

Система работает следующим образом. При запуске двигателя в электролизере 11 газ не генерируется, и процесс идет как в обычном карбюраторе: воздух поступает через воздушный канал и прикрытую дроссельную заслонку 4, а топливо — через систему 10 холостого хода. По мере открытия дроссельной заслонки 4, разрежение в диффузоре увеличивается, и эмульсия начинает поступать в смесительную камеру 3 через эмульсионный жиклер 8, при этом воздух в эмульсионную систему поступает через воздушный жиклер 9, обеспечивающий образование обогащенной смеси. Сюда же начинает поступать вырабатываемый электролизером 11 газ. Количество поступающего газа зависит от тока электролизера, регулируемого блоком управления 13.

Недостатком этой системы является относительно высокая токсичность отработанных газов и низкая экономичность, вызываемые невысокой температурой распыленного топлива и недостаточной однородностью питающей смеси газа, вырабатываемого электролизером, и распыленного топлива вследствие подачи газа и топлива в разные места воздушного канала.

Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков, а именно; повышение экономичности, уменьшение в выпускаемых газах токсичных веществ за счет более полного сгорания топливной смеси.

Это достигается тем, что в системе питания двигателя внутреннего сгорания, содержащей проточный воздушный канал с дроссельной заслонкой, дозирующую систему подачи топлива и электролизер с блоком управления и системой подачи электролита, подключенный газовой полостью к проточному воздушному каналу, дозирующая система подачи топлива подключена к электролитной полости электролизера.

Подключение дозирующей системы подачи топлива к воздушному каналу через электролизер обеспечивает решение поставленной задачи.

Проточный воздушный канал системы питания двигателя внутреннего сгорания с дроссельной заслонкой соединяется с газовой полостью электролизера. Дозирующая система подачи топлива и система подачи электролита сообщаются с электролитной полостью электролизера. Блок управления электролизером подсоединен к электродам электролизера.

На фиг.2 схематично изображена предлагаемая система питания. Система состоит из проточного воздушного канала 23 с дроссельной заслонкой 24, дозирующей системы подачи топлива 25, электролизера 26, имеющего газовую полость 27 и электролитную полость 28, заполненную электролитом, систему подачи электролита 29 и блок управления 30 электролизером 26. Дозирующая система подачи топлива 25, электролизер 26, система подачи электролита 27 и блок управления 30 электролизером могут быть выполнены так же, как и в прототипе или в системах с впрыском топлива.

Работает система питания двигателя внутреннего сгорания следующим образом. При запуске двигателя процесс идет как обычно: в двигатель воздух поступает через проточный воздушный канал 23 и прикрытую дроссельную заслонку 24, а топливо вспрыскивается дозирующей системой 25 в воздушный канал 23 через электролитную полость 28 электролизера 26. После прогрева двигателя и электролизера 26 из электролита, в качестве которого можно использовать обычную воду, начинает вырабатываться газ, представляющий собой смесь кислорода, водорода и паров воды. Температура электролита повышается. Вспрыснутое в электролитную полость 28 электролизера 26 топливо испаряется при прохождении через кипящий электролит и смешивается в электролизере 26 с вырабатываемым газом. Горячая газовая топливная смесь поступает далее через проточный воздушный канал 23 в двигатель. Холостой ход прогретого двигателя обеспечивается за счет электролиза электролита. Впрыск топлива дозирующей системой 25 при этом не производится. Количество поступающего газа зависит от тока электролизера 26, регулируемого блоком управления электролизера 30.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить экономичность системы и снизить токсичность отработанных газов за счет испарения топлива при прохождении через электролизер, обеспечения более равномерного состава газовой топливной смеси и ее предварительного прогрева в электролизере.

Система питания двигателя внутреннего сгорания, содержащая проточный воздушный канал с дроссельной заслонкой, дозирующую систему подачи топлива и электролизер с блоком управления и системой подачи электролита, подключенный газовой полостью к проточному воздушному каналу, отличающаяся тем, что дозирующая система подачи топлива подключена к электролитной полости электролизера.

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 век. 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, особенно на двигатели внутреннего сгорания. , среднесрочные и долгосрочные.

Сегодняшнее применение на рынке внедорожной техники 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

Преобразование энергии | Определение, примеры, формула, принцип и факты

Должность

См. все СМИ

Ключевые люди:

Элиу Томсон Уильям Джордж Армстронг, барон Армстронг Кристофер Хинтон, барон Хинтон Оскар фон Миллер Джон Э. У. Кили

Похожие темы:

ядерного реактора турбина электрический двигатель батарея термоядерный реактор

См. весь связанный контент →

Последние новости

28 апреля 2023 г. , 9:15 по восточноевропейскому времени (AP)

PGE объявляет о крупном проекте по хранению экологически чистой энергии в Портленде

Portland General Electric, коммунальное предприятие, обслуживающее Портленд, штат Орегон, объявила в пятницу, что устанавливает вторую по величине аккумуляторную установку в Соединенных Штатах мощностью 400 МВт

27 апреля 2023 г., 2:00 по восточноевропейскому времени (AP)

Банк: Азия должна быстрее отказаться от угля, чтобы остановить худшие климатические проблемы катастрофическое изменение климата, которое ставит под угрозу собственное развитие

26 апреля 2023 г., 13:50 по восточноевропейскому времени (AP)

Решение проблемы изменения климата: компания Ohmium, занимающаяся экологически чистым водородом, привлекает 250 миллионов долларов

В том, что может стать важной вехой для отрасли, которая Надеясь решить проблему изменения климата, компания Ohmium из Силиконовой долины объявила в среду, что привлекла 250 миллионов долларов для расширения производства машин, которые могут производить чистый водород 9. 0005

24 апреля 2023 г., 13:33 по восточноевропейскому времени (AP)

Европейские лидеры обязуются увеличить производство энергии ветра

Группа западноевропейских стран во главе с Германией и Францией обязуется значительно увеличить производство экологически чистой энергии от ветряных турбин в Северном море

20 апреля 2023 г., 9:26 по восточноевропейскому времени (AP)

США инвестируют в альтернативные солнечные технологии, больше солнечной энергии для арендаторов

Администрация Байдена объявила о выделении более 80 миллионов долларов в четверг в стремление производить больше солнечных панелей в США, сделать солнечную энергию доступной для большего числа людей и искать превосходные альтернативы вездесущим блестящим панелям, изготовленным из кремния

преобразование энергии , преобразование энергии из форм, предоставляемых природой, в формы, которые могут быть использованы человеком.

На протяжении веков для этой цели был разработан широкий спектр устройств и систем. Некоторые из этих преобразователей энергии довольно просты. Ранние ветряные мельницы, например, преобразовывали кинетическую энергию ветра в механическую энергию для перекачивания воды и измельчения зерна. Другие системы преобразования энергии явно более сложны, особенно те, которые используют сырую энергию из ископаемого топлива и ядерного топлива для производства электроэнергии. Системы такого рода требуют множества стадий или процессов, в которых энергия претерпевает целый ряд преобразований через различные промежуточные формы.

Многие преобразователи энергии, широко используемые сегодня, связаны с преобразованием тепловой энергии в электрическую. Однако эффективность таких систем имеет фундаментальные ограничения, продиктованные законами термодинамики и другими научными принципами. В последние годы значительное внимание уделялось некоторым устройствам прямого преобразования энергии, в частности солнечным элементам и топливным элементам, которые минуют промежуточный этап преобразования энергии в тепловую при производстве электроэнергии.

В этой статье прослеживается развитие технологии преобразования энергии, при этом выделяются не только традиционные системы, но и альтернативные и экспериментальные преобразователи со значительным потенциалом. Описаны их отличительные особенности, основные принципы работы, основные типы и основные области применения. Для обсуждения законов термодинамики и их влияния на конструкцию и производительность системы см. термодинамику .

Викторина Британика

Энергия и ископаемое топливо

Общие соображения

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу. Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; ergon , «работа». Энергия может быть либо связана с материальным телом, как спиральная пружина или движущийся объект, либо она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, проходящее через вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Размерность энергии — это работа, которая в классической механике формально определяется как произведение массы ( м ) и квадрат отношения длины ( l ) ко времени ( t ): 3 2 . Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое она перемещается, или чем меньше время, необходимое для перемещения массы, тем больше будет совершенная работа или тем больше будет затрачена энергия.

Развитие концепции энергии

Термин «энергия» не применялся в качестве меры способности выполнять работу до довольно позднего периода развития механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к понятию энергии. Однако идея энергии восходит, по крайней мере, к Галилею в 17 веке. Он признал, что, когда вес поднимается с помощью системы шкивов, приложенная сила, умноженная на расстояние, на которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянным, даже если любой из факторов может меняться. Понятие vis viva, или жизненной силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы на квадрат скорости, было введено в 17 веке. В 19В X веке термин энергия применялся к понятию vis viva.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подпишитесь сейчас

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что в этом случае будет представлять интерес интегрированный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла от действия силы, действующей на массу, которые можно определить. Один — интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы по времени ее действия на массу, или временной интеграл.

Вычисление пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь принимается за изменение кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения импульса массы в результате действия силы. Некоторое время велись споры о том, какая интеграция приводит к надлежащей мере силы: немецкий философ и ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц выступал за пространственный интеграл как единственно верную меру, тогда как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную меру. интеграл. В конце концов, в 18 веке физик Жан д’Аламбер из Франции показал правомерность обоих подходов к измерению эффекта силы, действующей на массу, и что противоречие касалось только номенклатуры.

Подытоживая, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия, или энергия, возникающая в результате движения, есть результат пространственного интегрирования силы, действующей на массу; импульс есть результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия является мерой способности выполнять работу. Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии во времени (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Закон сохранения энергии (см. ниже) был независимо признан многими учеными в первой половине 19 века. Сохранение энергии в виде кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом. Далее, при ближайшем рассмотрении, трение, служащее ограничением классической механики, обнаруживается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях бруска, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трение». Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. В это же время Джоуль экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией. Поскольку стало необходимо более подробное описание различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и сопутствующий ему энергетический баланс в систему.