Двигатель внутреннего сгорания — Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.

По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания характеризуется следующими признаками:

• принципиально проще (нет парокотельного агрегата),

• компактнее,

• легче,

• экономичнее,

• требует газообразное и жидкое топливо лучшего качества.

Типы двигателей внутреннего сгорания

По назначению:

• транспортные, 

• стационарные, 

• специальные.

По роду применяемого топлива:

• легкие жидкие (бензин, газ), 

• тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

По способу образования горючей смеси:

• внешнее (карбюратор),

• внутреннее (в цилиндре ДВС).

По способу воспламенения:

• с принудительным зажиганием, 

• с воспламенением от сжатия, 

• калоризаторные.

По расположению цилиндров:

• рядные, 

• вертикальные, 

• оппозитные с одним и с двумя коленвалами, 

• V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, 

• VR-образные и W-образные, 

• однорядные и двухрядные звездообразные, 

• Н-образные, 

• двухрядные с параллельными коленвалами, 

• «двойной веер», 

• ромбовидные, 

• трехлучевые и др.

Поршневой двигатель — это двигатель, у которого камера сгорания находится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, а механическая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Бензиновый двигатель — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. 

Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. 

В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. 

В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. 

Т.к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Газовый двигатель — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях

Роторно-поршневой двигатель — двигатель, конструкция которого предложена изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. 

Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. 

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. 

За 1 оборот двигатель выполняет 3 полных рабочих цикла, что эквивалентно работе 6-цилиндрового поршневого двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Обрати внимание!

Двигатель внутреннего сгорания — распространённый вид теплового двигателя, который работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или горючем газе.

 

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень \( 3\), соединённый при помощи шатуна \(4\) с коленчатым валом \(5\).

 

Два клапана, впускной \(1\) и выпускной \(2\), при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты.

1. клапан для подачи горючей смеси;
2. клапан для удаления отработанных газов;
3. цилиндр;
4. шатун;
5. коленчатый вал;
6. свеча для воспламенения горючих газов в цилиндре 3.

 

Ход поршня — расстояние между мёртвыми точками, крайними положениями поршня в цилиндре.

 

Такие двигатели называют четырёхтактными, т.к. рабочий цикл происходит за четыре хода или такта: впуск (а), сжатие (б), рабочий ход (в) и выпуск (г).

 

 

1 такт (впуск) — при такте впуска поршень от верхней мёртвой точки перемещается к нижней мёртвой точке. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Т.е. поршень всасывает горючую смесь.

 

 

2 такт (сжатие) — при такте сжатия поршень от нижней мёртвой точки перемещается к верхней мёртвой точке. Поршень движется вверх. Оба клапана плотно закрыты, и поэтому рабочая смесь сжимается. При сжатии температура смеси и давление повышаются. 

 

3 такт (рабочий ход) —  рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. А т.к. впускной и выпускной клапаны всё ещё закрыты, то расширяющимся газам остаётся только один единственный выход — давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления начинает перемещаться к нижней мёртвой точке, создаётся крутящий момент. 

 

 

4 такт (выпуск) — при движении поршня от нижней мёртвой точки к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан (впускной всё ещё закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.

 

 

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, всё повторяется.

Для того чтобы вращение вала было более равномерным, двигатель обычно делают многоцилиндровым: 2-, 3-, 4-, 6-, 8-цилиндровым и т.д.

Источники:

http://webmyoffice.ru/media/files/99/dvigatel-moto-2.jpg

http://usauto.ucoz.ru/news/bilet_6/2011-04-26-4

http://autooboz.info/wp-content/uploads/2007/09/dvigatel-vnutrennego-sgoraniya2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-2.jpg

http://dvigyn.com/wpcontent/images_18/princip_raboti_dvigatelya_vnutrennego_sgoraniya_v_4_takta-3.jpg

Двигатель внутреннего сгорания — это… Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую энергию.

Несмотря на то, что двигатель внутреннего сгорания относится к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и так далее), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

История создания

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля, однако светильный газ годился не только для освещения.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения, стремительно расширяясь, оказывали сильное давление на окружающую среду — таким образом, оставалось только найти способ использования выделившейся энергии. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Затем газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, так и не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

В последующие годы изобретатели из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной.

Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Решив возникшие по ходу проблемы (тугой ход и перегрев поршня, ведущий к заклиниванию) продумав систему охлаждения и смазки двигателя, Ленуар создал работоспособный двигатель внутреннего сгорания. В 1864 году было выпущено более трёхсот таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над дальнейшим усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто и получившим патент на изобретение своей модели газового двигателя в 1864 году.

В 1864 году немецкий изобретатель Августо Отто заключил договор с богатым инженером Лангеном для реализации своего изобретения — была создана фирма «Отто и Компания». Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. Цилиндр двигателя Отто, в отличие от двигателя Ленуара, был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Принцип действия: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разреженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Кроме того, двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Несмотря на это, Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре была применена кривошипно-шатунная передача. Однако самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто получил патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Типы двигателей внутреннего сгорания

Поршневой ДВС Роторный ДВС Газотурбинный ДВС

ДВС классифицируют:

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные с одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, «двойной веер», ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

Бензиновые

Бензиновые карбюраторные

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае — гомогенность.

Бензиновые инжекторные

Также, существует способ смесеобразования путём впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Существуют системы одноточечного и распределённого впрыска различных механических и электронных систем. В механических системах впрыска дозация топлива осуществляется плунжерно — рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока управления (ЭБУ), управляющим электрическими бензиновыми вентилями.

Дизельные, с воспламенением от сжатия

Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. Т. к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера-Сабатэ со смешанным подводом теплоты.

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Газовые

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются:

Газодизельные

Основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.

Роторно-поршневой

Предложен изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), в настоящее время строится только Маздой (Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки.

В Германии в конце 70х годов ХХ века существовал анекдот: «Продам НСУ, дам в придачу два колеса, фару и 18 запасных моторов в хорошем состоянии».

• RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок.

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания

•  — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой и лопаточной машин (турбина, компрессор), в котором обе машины в соотносимой мере участвуют в осуществлении рабочего процесса. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув). Большой вклад в теорию комбинированных двигателей внес советский инженер, профессор А. Н. Шелест.

Циклы работы поршневых ДВС

Двухтактный цикл Схема работы четырёхтактного двигателя, цикл Отто
1. впуск
2. сжатие
3. рабочий ход
4. выпуск

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа, состоящий из четырёх отдельных тактов:

1. впуска,
2. сжатия заряда,
3. рабочего хода и
4. выпуска (выхлопа).

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы. Некоторые двигатели внутреннего сгорания использовали для этой цели золотниковые гильзы (Рикардо), имеющие впускные и/или выхлопные окна. Сообщение полости цилиндра с коллекторами в этом случае обеспечивалось радиальным и вращательным движениями золотниковой гильзы, окнами открывающей нужный канал. Ввиду особенностей газодинамики — инерционности газов, времени возникновения газового ветра такты впуска, рабочего хода и выпуска в реальном четырёхтактном цикле перекрываются, это называется перекрытием фаз газораспределения. Чем выше рабочие обороты двигателя, тем больше перекрытие фаз и чем оно больше, тем меньше крутящий момент двигателя внутреннего сгорания на низких оборотах. Поэтому в современных двигателях внутреннего сгорания всё шире используются устройства, позволяющие изменять фазы газораспределения в процессе работы. Особенно пригодны для этой цели двигатели с электромагнитным управлением клапанами (BMW, Mazda). Имеются также двигатели с переменной степенью сжатия (СААБ), обладающие большей гибкостью характеристики.

Двухтактные двигатели имеют множество вариантов компоновки и большое разнообразие конструктивных систем. Основной принцип любого двухтактного двигателя — исполнение поршнем функций элемента газораспределения. Рабочий цикл складывается, строго говоря, из трёх тактов: рабочего хода, длящегося от верхней мёртвой точки (ВМТ) до 20—30 градусов до нижней мёртвой точки (НМТ), продувки, фактически совмещающей впуск и выхлоп, и сжатия, длящегося от 20—30 градусов после НМТ до ВМТ. Продувка, с точки зрения газодинамики, слабое звено двухтактного цикла. С одной стороны, невозможно обеспечить полное разделение свежего заряда и выхлопных газов, поэтому неизбежны либо потери свежей смеси, буквально вылетающей в выхлопную трубу (если двигатель внутреннего сгорания — дизель, речь идёт о потере воздуха), с другой стороны, рабочий ход длится не половину оборота, а меньше, что само по себе снижает КПД. В то же время длительность чрезвычайно важного процесса газообмена, в четырёхтактном двигателе занимающего половину рабочего цикла, не может быть увеличена. Двухтактные двигатели могут вообще не иметь системы газораспределения. Однако, если речь не идёт об упрощённых дешёвых двигателях, двухтактный двигатель сложнее и дороже за счёт обязательного применения воздуходувки или системы наддува, повышенная теплонапряжённость ЦПГ требует более дорогих материалов для поршней, колец, втулок цилиндров. Исполнение поршнем функций элемента газораспределения обязывает иметь его высоту не менее ход поршня + высота продувочных окон, что некритично в мопеде, но существенно утяжеляет поршень уже при относительно небольших мощностях. Когда же мощность измеряется сотнями лошадиных сил, увеличение массы поршня становится очень серьёзным фактором. Введение распределительных гильз с вертикальным ходом в двигателях Рикардо было попыткой сделать возможным уменьшение габаритов и массы поршня. Система оказалась сложной и дорогой в исполнении, кроме авиации, такие двигатели нигде больше не использовались. Выхлопные клапаны (при прямоточной клапанной продувке) имеют вдвое большую теплонапряжённость в сравнении с выхлопными клапанами четырёхтактных двигателей и худшие условия для теплоотвода, а их сёдла имеют более длительный прямой контакт с выхлопными газами.

Самой простой с точки зрения порядка работы и самой сложной с точки зрения конструкции является система Фербенкс — Морзе, представленная в СССР и в России, в основном, тепловозными дизелями серий Д100. Такой двигатель представляет собой симметричную двухвальную систему с расходящимися поршнями, каждый из которых связан со своим коленвалом. Таким образом, этот двигатель имеет два коленвала, механически синхронизированные; тот, который связан с выхлопными поршнями, опережает впускной на 20—30 градусов. За счёт этого опережения улучшается качество продувки, которая в этом случае является прямоточной, и улучшается наполнение цилиндра, так как в конце продувки выхлопные окна уже закрыты. В 30х — 40х годах ХХ века были предложены схемы с парами расходящихся поршней — ромбовидная, треугольная; существовали авиационные дизели с тремя звездообразно расходящимися поршнями, из которых два были впускными и один — выхлопным. В 20-х годах Юнкерс предложил одновальную систему с длинными шатунами, связанными с пальцами верхних поршней специальными коромыслами; верхний поршень передавал усилия на коленвал парой длинных шатунов, и на один цилиндр приходилось три колена вала. На коромыслах стояли также квадратные поршни продувочных полостей. Двухтактные двигатели с расходящимися поршнями любой системы имеют, в основном, два недостатка: во-первых, они весьма сложны и габаритны, во-вторых, выхлопные поршни и гильзы в зоне выхлопных окон имеют значительную температурную напряжённость и склонность к перегреву. Кольца выхлопных поршней также являются термически нагруженными, склонны к закоксовыванию и потере упругости. Эти особенности делают конструктивное исполнение таких двигателей нетривиальной задачей.

Двигатели с прямоточной клапанной продувкой оснащены распределительным валом и выхлопными клапанами. Это значительно снижает требования к материалам и исполнению ЦПГ. Впуск осуществляется через окна в гильзе цилиндра, открываемые поршнем. Именно так компонуется большинство современных двухтактных дизелей. Зона окон и гильза в нижней части во многих случаях охлаждаются наддувочным воздухом.

В случаях, когда одним из основных требований к двигателю является его удешевление, используются разные виды кривошипно-камерной контурной оконно-оконной продувки — петлевая, возвратно-петлевая (дефлекторная) в разнообразных модификациях. Для улучшения параметров двигателя применяются разнообразные конструктивные приёмы — изменяемая длина впускного и выхлопного каналов, может варьироваться количество и расположение перепускных каналов, используются золотники, вращающиеся отсекатели газов, гильзы и шторки, изменяющие высоту окон (и, соответственно, моменты начала впуска и выхлопа). Большинство таких двигателей имеет воздушное пассивное охлаждение. Их недостатки — относительно невысокое качество газообмена и потери горючей смеси при продувке, при наличии нескольких цилиндров секции кривошипных камер приходится разделять и герметизировать, усложняется и удорожается конструкция коленвала.

Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком двигателя внутреннего сгорания является то, что он развивает наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Кроме того, двигателю внутреннего сгорания необходимы система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки(предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения(для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламениня топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением).

См. также

Примечания

Ссылки

Научная работа кафедры двигателей внутреннего сгорания

К основным научным направлениям кафедры относится:

• исследование судового дизелестроения, концепций конструирования судовых комбинированных двигателей новых поколений;
• использование фундаментальной теории управления при проектировании современных дизелей;
• математическое моделирование нестационарных процессов в цилиндре двигателя и смежных с ним систем впуска и выпуска и топливоподающей аппаратуре;
• создание систем наддува двигателя в зависимости от величины среднего эффективного давления;
• проблемы создания современных дизель-электрических агрегатов переменного тока с высоким качеством электроэнергии;
• решение проблем создания адаптивных (интеллектуальных) двигателей внутреннего сгорания;
• моделирование и совершенствование процессов формообразования и обеспечения точности в технических и технологических системах;
• совершенствование процессов абразивной обработки ответственных изделий машиностроения;
• создание конструкций эффективных укороченных забоек взрывных скважин.

Перечисленным перечнем научные интересы нашей кафедры не исчерпываются. В ближайшее время кафедра планирует уделить особое внимание освоению современных методов исследований по экологическим показателям двигателей, по параметрам шума и вибрации с разработкой новых идей по улучшению этих показателей. В практическое русло переводятся исследования по конкретным моделям среднеоборотных и высокооборотных двигателей с обеспечением их работы на газообразном топливе. Кафедра располагает собственной аспирантурой, где продолжают обучение наиболее одаренные выпускники кафедры. В настоящее время 10 аспирантов работают по различным научным направлениям кафедры. В последнее время интенсивная автомобилизация Дальнего Востока за счет импортных автомобилей потребовала подготовки специалистов по автомобильным ДВС. Современный автомобильный двигатель является сердцем автомобиля, самым сложным и самым главным агрегатом автомобиля. Быть специалистом по ДВС означает применение ваших знаний на любой работе в области энергетики в любом регионе мира. Профессорско-преподавательский коллектив кафедры «ДВС» ведет обучение студентов на современном оборудовании и стендах, оснащенных разнообразной измерительной аппаратурой, ЭВМ, отечественными и импортными ДВС.

В процессе обучения студенты изучают физику процессов, происходящих в ДВС, их механизмы и системы, что позволит вам в будущем правильно эксплуатировать ДВС. В учебном процессе широко используются персональные ЭВМ, локальная вычислительная сеть ТОГУ имеет выход в INTERNET. Глубокие знания студент получает по теплотехнике, гидравлике, информатике, системам ДВС, системам автоматике, теории и конструкции ДВС. Созданы несколько научных лабораторий, в том числе, лаборатория горюче-смазочных материалов, лаборатория ДВС.

Кафедра «ДВС» имеет творческие связи с ведущими Вузами России (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАДИ, Санкт-Петербургский ГТУ и др.), с РАН (институт автоматики и процессов управления ДВО РАН и др.). Большую поддержку в подготовке специалистов оказывает Российская инженерная академия (РИА). Там где кипит разумная и полезная обществу работа, обойтись без науки и изобретательства просто невозможно. А на кафедре с таким творческим потенциалом и с такими кадрами, решающей дела как практические (хоздоговорные работы), научные (статьи, учебные пособия, методические указания), исследовательские (разработка аспирантами совместно с руководителями новой тематики), учебные (методические семинары, конференции) – здесь без творчества не обойтись!!! Поэтому и работает при кафедре региональный семинар по вопросам создания, проектирования и эксплуатации комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Доклад на этом семинаре – это путевка для выхода серьезной научной работы на докторский совет по защите диссертационных работ. В этом совете четыре профессора кафедры определяют направление: тепловые двигатели внутреннего сгорания. Кафедра принимает активное участие совместно с преподавателями ДВГУПС в работе второго семинара: механика твердого деформируемого тела. На фотографии представлены частично патенты и авторские свидетельства, полученные кафедрой в разные годы. Безусловно, научная деятельность определяет и качество подготовки специалистов в области двигателей внутреннего сгорания и их эксплуатации. Симбиоз науки и практики – вот основное начало в педагогической деятельности. Кстати заметим, что практически все стенды лаборатории кафедры «ДВС» были созданы руками ее сотрудников.

Актуальным направлением является разработка и внедрение в учебный процесс заданий по курсам «Начертательная геометрия. Инженерная графика», «Инженерная и компьютерная графика» и «Компьютерная графика» для компьютерного тестирования в АСТ, которое внедряется на кафедре с 2007 года.

4.2. Двигатели внутреннего сгорания — Энергетика: история, настоящее и будущее

4.2. Двигатели внутреннего сгорания

Тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее части в механическую работу, называются двигателями внутреннего сгорания.

Отказ от котла, наиболее дорогой и громоздкой части паросиловой установки, позволил создать дешевый и экономичный двигатель внутреннего сгорания, который впоследствии стал основным двигателем транспортных средств.

Развитие этих двигателей началось с 1860 года, когда французский механик Ленуар впервые построил небольшой двухтактный газовый двигатель. Двигатель работал без сжатия смеси светильного газа с воздухом. Воспламенение рабочей смеси происходило при помощи электрической искры. К.п.д. такого двигателя колебался от 3 до 5% и был ниже к.п.д. поршневых паровых машин того времени, что было следствием нерационального цикла, предложенного изобретателем. Однако это изобретение сыграло крупную роль в деле создания двигателей внутреннего сгорания.

Дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания пошло по пути усовершенствования предложенной конструкции без изменения рабочего цикла. На рис. 4.10. представлен такой тип двигателя.

И только немецкому технику Николаусу Августу Отто (1832 – 1891) из Кельна в 1887 году в содружестве с инженером Е. Лангеном удалось построить четырёхтактный горизонтальный одноцилиндровый газовый двигатель мощностью 4 л.с. со сжатием рабочей смеси. Двигатель работал по принципу, предложенному французским инженером Бо-де-Роша. К.п.д. их двигателей достигал уже 7 – 18%, то есть был выше к.п.д. паровых машин того времени. Созданный двигатель можно считать прототипом современных двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном и жидком топливе.

На рис. 4.11 представлена индикаторная диаграмма работы четырехтактного двигателя в координатах Р (давление) – V (полный объем цилиндра). При первом такте хода поршня происходит процесс всасывания в цилиндр рабочей смеси (линия 1–2 на индикаторной диаграмме). При обратном ходе поршня (второй такт) впускной клапан закрывается и в цилиндре протекает процесс сжатия рабочей смеси (линия 2–), при этом температура и давление смеси повышаются. В начале третьего хода поршня совершается быстрое воспламенение рабочей смеси от искры, а температура и давление резко увеличиваются (линия 3–4). Затем происходит расширение рабочих газов (линия 4–5), то есть выполняется полезная работа. При крайнем положении поршня в третьем такте процесс расширения заканчивается и открывается выпускной клапан, через который при четвертом ходе поршня выбрасываются отработанные газы (линия 6 – 1, которая проходит несколько выше атмосферной линии).

Рис. 4.10. Атмосферный двигатель Отто и Лангена (1865–1866 гг.) (а) и индикаторная диаграмма (б)

Рис. 4.11. Двигатель Отто. Индикаторная диаграмма

Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей для автомобильной промышленности был запатентован Г. Даймлером в Германии в 1885 году.

Постройка двигателя началась на заводе Дейти. В дальнейшем на заводе конструкция двигателя была значительно усовершенствована. Вскоре двигатели Отто – Дейти благодаря компактности, экономичности и надежности в работе получили общее признание и стали выпускаться другими заводами.

К тому времени надо отнести появление двухтактных двигателей, которые по принципу действия мало чем отличаются от четырехтактных двигателей Отто. В двухтактном двигателе посреди цилиндра расположены впускные и продувочные отверстия (клапаны), открытие и закрытие которых производится поршнем. Во время первого хода поршня в цилиндре протекают процессы воспламенения и расширения рабочей смеси, в конце хода поршня открываются отверстия цилиндра и начинаются процессы выпуска отработанных газов и продувки цилиндра воздухом или горючей смесью. Эти процессы продолжаются при обратном ходе поршня, втором такте, пока поршень не перекроет отверстия и не начнется процесс сжатия свежего воздуха или горючей смеси в зависимости от типа двигателя.

Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В 1878 году он окончил Высшую политехническую школу в Мюнхене. В патентах 1892 и 1893 гг. Дизель выдвинул идею создания двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу, близкому к идеальному, в котором наивысшая температура достигалась сжатием чистого воздуха.

В 1913 году для ведения переговоров Дизель, взяв с собой наиболее ценные документы по изготовлению двигателя, отплыл в Англию. Однако до Англии он не добрался, а бесследно исчез с корабля при неизвестных обстоятельствах.

Двухтактные двигатели имеют более равномерный ход, вдвое меньший объем цилиндра, дешевле и нашли широкое применение в автомобильной промышленности, вытеснив четырехтактные.

Все рассмотренные выше газовые, газогенераторные, а также быстроходные двигатели, работающие на жидком топливе, – автомобильные, относятся к двигателям быстрого сгорания, у которых процессы воспламенения и горения протекают

 

настолько быстро, что поршень не успевает совершить даже небольшое перемещение.

Рис. 4.12. Индикаторная диаграмма дизеля

У таких двигателей к.п.д. очень зависит от степени сжатия, поэтому они работают с предельным давлением сжатия, при котором температура рабочей смеси близка к температуре её самовоспламенения. Однако двигатели быстрого сгорания, работающие на жидком топливе (нефти, керосине, бензине), не допускают высоких степеней сжатия (3, 5, 6), так как температура воспламенения этих топлив сравнительно низкая (350 – 415°С), что и обуславливает небольшой к.п.д. двигателя.

Повышение к.п.д. двигателей, работающих на жидком топливе, было достигнуто благодаря введению в технику рабочего процесса с постепенным сгоранием топлива. Процесс постепенного сгорания топлива был предложен в 1872 году американцем Брайтоном. После этого были попытки создать такой двигатель Гаргреавесом, Капитеном и др. Однако их двигатели были ненадежными в работе. Слава создания двигателя с постепенным сгоранием топлива принадлежит Р. Дизелю.

Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию воздуха в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Будучи подано в полость двигателя в конце хода сжатия, горючее воспламеняется от нагретого воздуха и, нагнетаемое постепенно, осуществляет процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно. Испытание опытного образца в 1896 году принесло успех, а в 1897 году Дизель построил на Аугсбургском машиностроительном заводе первый промышленный четырехтактный одноцилиндровый двигатель с постепенным сгоранием топлива, работающий на керосине, мощностью 20 л.с. Двигатель такого типа в дальнейшем получил название дизель. Он отличался высоким к.п.д., но работал на дорогостоящем керосине, имел ряд конструктивных дефектов. После некоторых усовершенствований, внесённых в 1898 – 1899 гг., двигатель стал надёжно работать на дешёвом топливе – нефти – и получил широкое распространение в промышленности и на транспорте.

Рабочий процесс двигателя постепенного сгорания (см. индикаторную диаграмму, рис. 4.12) отличается от рабочего процесса двигателя быстрого сгорания (см. рис. 4.11) следующими особенностями:

В рабочем цилиндре дизеля при втором такте – сжатии – сжимается не рабочая смесь, а воздух (линия 2 – 3) до давления 3,2–3,4 МПа. При этом температура воздуха в конце сжатия достигает 500–600 o С, то есть температуры воспламенения вводимого в цилиндр жидкого топлива.

Вследствие высокой температуры сжатого воздуха происходит самовоспламенение вводимого топлива и не требуется зажигательного приспособления.

В третьем такте топливо вводится в цилиндр не сразу, а постепенно, вследствие чего оно сгорает при постоянном давлении на некоторой части хода поршня (линия 3 – 4), а затем происходит дальнейшее расширение образовавшихся газов (линия 4 – 5).

Распыление топлива осуществляется форсункой при помощи сжатого воздуха. Для получения сжатого воздуха применяется компрессор с давлением 5–6 МПа двух-трехступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха.

Рабочие процессы в первом и четвертом тактах дизеля подобны процессам, протекающим в двигателях быстрого сгорания (линии 1 – 2 и 6 – 1).

Наиболее ответственной частью двигателя является компрессор, который приводится в действие от самого дизеля.

Первоначально все дизели работали по рассмотренному выше четырехтактному рабочему процессу, но затем стал применяться двухтактный рабочий процесс как более экономичный. Этому способствовало введение в технику принципа безвоздушного распыления топлива, то есть бескомпрессорных дизелей.

Первый в мире городской автобус с двигателем внутреннего сгорания вышел на линию 12 апреля 1903 года в Лондоне. Его предшественником можно считать автобус с паровым двигателем, который курсировал в течение четырех месяцев 1831 года между английскими городами Глостером и Челтенхемом (Наука и жизнь, 1984, № 5).

Действительное преимущество дизелей заключалось не в отличии их рабочего процесса, а в возможности получить высокие степени сжатия, неосуществимые в двигателях быстрого сгорания из-за низкой температуры самовоспламенения жидких сортов топлива. Рабочий процесс в дизелях проводился при степени сжатия 14–16 против 5–6 в двигателях быстрого сгорания, что повысило к.п.д. компрессорных дизелей до 28–32%, бескомпрессорных – до 30–34%.

После демонстрации на Парижской выставке 1900 года усовершенствованного двигателя Дизеля, где он получил высокую оценку, начался процесс бурного дизелестроения.

Большой вклад в усовершенствование дизельных двигателей внесли русские изобретатели. Б.Г. Луцкой (1865–1920) проектировал и строил многоцилиндровые двигатели различного назначения – автомобильные, авиационные, судовые, лодочные. В 1896 г. Г.В. Тринклер (1876–1957) построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания. В 1910 г. Р.А. Корейво (1852–1920) сконструировал дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и передачей на два вала. А.Г. Уфимцев (1880–1936) в 1910 г. разработал шестицилиндровый карбюраторный двигатель для самолетов.

В России производство дизелей началось в 1899 году на заводе «Русский дизель» в Санкт-Петербурге. Выпускаемые заводом нефтяные дизели оказались вполне надежными в работе благодаря применению двухступенчатого компрессора и усовершенствованной нефтяной форсунки. Дизели завода «Русский дизель» получили впоследствии всеобщее признание и широко использовались в промышленности и на транспорте.

В торговом и на военном флоте дизели впервые были применены в России. Первая в мире судовая дизельная установка, состоящая из трех дизелей завода «Русский дизель» мощностью по 120 л.с., была смонтирована в 1903 году на нефтетопливной барже «Вандал». А первый реверсивный дизель был построен заводом в 1908 году для подводной лодки «Минога» мощностью 120 л.с. Перед первой мировой войной дизельные двигатели производились не только в Петербурге, но и в Москве, Сормове, Риге, Ревеле, Воронеже и других городах.

Двигатели внутреннего сгорания после значительных конструктивных изменений стали в ХХ веке основными двигателями всех транспортных средств.

Мотор в будущее – Огонек № 31 (5527) от 20.08.2018

У двигателя внутреннего сгорания, без которого невозможно представить современный транспорт, юбилей — 195 лет. Однако полноценной замены имениннику так и не изобрели

Современный автомобиль, каким мы его знаем, рождался, наверное, целый век, и каждый из его дней рождения — исторический. Судите сами: 125 лет назад двумя венгерскими учеными, Донатом Банки и Яношем Чонка, запатентован карбюратор — устройство, где готовится горючая смесь для автомобильного двигателя. Долгое время его изобретателем вообще-то считался немец Вильгельм Майбах, запатентовавший карбюратор раньше венгерских коллег, и лишь после специальной экспертизы выяснилось — Банки и Чонка опередили его с публикацией. Счет шел на месяцы!

Но, пожалуй, еще важнее другая дата: в 1823 году, то есть 195 лет назад, другой инженер, британец Сэмуэль Браун, запатентовал первый получивший успех и коммерческое приложение двигатель внутреннего сгорания (ДВС)! Оговоримся: и на этот почетный титул — изобретателя ДВС — также претендует множество инженеров, выбирай любого. Вот, к примеру, один из претендентов — француз Жозеф Нисефор Ньепс больше известный как один из изобретателей фотографии. Он еще в 1807 году вместе с братом создал прототип ДВС, названный пирэолофором. Пирэолофор был установлен на корабль и успешно испытан, после чего братьям выдали патент, подписанный самим Наполеоном. Был в истории ДВС и русский след: бензиновый двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием — разработка российского конструктора сербского происхождения Огнеслава Костовича, известного проектами дирижабля, вертолета и даже рыбы-лодки.

Парадокс в другом: ни один из изобретателей этого чуда техники не был уверен, что его усилия пригодятся. Сегодня об этом уже не помнят, но с ДВС тогда конкурировали паровой и… электрический двигатель, изобретенный еще в 1828 году!

— Период, когда люди выбирали тип двигателя для безлошадных повозок (так называемое осевое время автомобилизма), пришелся как раз на конец XIX века,— говорит шеф-редактор журнала «Авторевю» Леонид Голованов.— Так вот, вплоть до середины 1900-х параллельно выпускались машины со всеми тремя типами силовых установок: ДВС, электроприводом и паровым двигателем. В результате победил двигатель внутреннего сгорания, причем заслуженно — он оказался эффективнее, проще в эксплуатации и более пригоден для массового производства. Но главное — сочетание энергоемкости, цены и скорости заправки, которое обеспечивало моторное топливо. Альтернативы этому не было!

О «нефтяном факторе» в успехе двигателя внутреннего сгорания говорит и декан транспортного факультета Московского политехнического университета Пабло Итурралде. По его словам, выпуск машин на ДВС в начале ХХ века получил поддержку у нефтяной отрасли — ей нужен был мощный потребитель производимой продукции, и автомобили, работающие на бензине, идеально подошли для этого.

Парадокс нынешнего момента, впрочем, в другом: топливо, которое когда-то помогло двигателю внутреннего сгорания победить конкурентов, сегодня может… его похоронить.

Разберемся.

«Топливо-изгой», «Европа отказывается от двигателей внутреннего сгорания», «Объявлена война дизелю»… Европейские СМИ предупреждают: в Старом Свете решили всерьез взяться за ДВС. Повод нашелся в 2015-м, когда в результате так называемого Дизельгейта выяснилось: крупнейший европейский производитель дизельных моторов занижал количество вредных выбросов во время тестов. И вот время перемен: к примеру, в Великобритании запретить продажи новых автомобилей на бензиновых или дизельных ДВС собираются уже к 2040 году. А Норвегия ставит дедлайн еще раньше — на 2025 год… Чем собираются заменить ДВС? Конечно же, старым добрым электромотором, но и тут все не однозначно.

— Конец ДВС приближают сразу несколько факторов: ужесточившиеся требования к токсичности отработавших газов, истерика по поводу антропогенной природы глобального потепления и, безусловно, электромобили,— уверен Леонид Голованов.— Впрочем, до массового распространения электромобилей еще далеко, и сдерживает его отсутствие аккумуляторных батарей с достаточной энергоемкостью.

Иными словами, современные литий-ионные батареи не способны обеспечить переход на массовую электромобилизацию — нужен качественный скачок, батареи нового типа, например на основе графена. Вот только когда их изобретут… Как открыт и вопрос о перспективах так называемых гибридов — автомобилей, где электродвигатель совмещен с ДВС.

Приговор специалистов: человечество на перепутье. Жить с ДВС больше не хочется, а переходить на электромобили не получается, да и последствия такого перехода никто толком не просчитал.

— Вся инфраструктура наших городов рассчитана под двигатели внутреннего сгорания, и перемены идут с большим трудом: посмотрите на Европу — станции для подзарядки встречаются там гораздо реже, чем автозаправки,— говорит Пабло Итурралде из Московского политеха.— Прибавьте к этому скорость самого процесса — чтобы заправить обычный автомобиль, у вас уйдет пять минут. А для зарядки электромобиля понадобится минимум часа два. Так что переход на новую инфраструктуру в перспективе довольно трудозатратен: всегда есть соблазн потратить эти деньги на что-то другое, например на развитие общественного транспорта.

Леонид Голованов, в свою очередь, уверен, что переход на электромобили неизбежен. Но и он соглашается: последствия такого перехода будут столь масштабны, что сравнить их можно разве что с появлением беспилотных электрических робомобилей. Попробуем представить этот транспорт будущего: никаких дилерских сетей, автозаправочных станций, водителей и даже автослесарей — «умные» машины будут сами «сообщать» в специализированные сервисы о поломках тех или иных систем. Есть и более радикальный взгляд: мол, двигатели будущих робомобилей почти не будут ломаться, а на старомодные ДВС, которые мог разобрать любой мальчишка, мы станем любоваться разве что в музеях. Впрочем, до этого еще надо дожить — или доехать.

Кирилл Журенков

Экспертиза

Преждевременный энтузиазм

Игорь Моржаретто, партнер аналитического агентства «Автостат», автоэксперт

Появление двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — это новый этап промышленной революции, перевернувший всю мировую экономику. До этого она пребывала в полусредневековом состоянии, а с появлением двигателя внутреннего сгорания и дешевого автомобиля, который мог доставить товары и грузы по всему миру на дальние расстояния, изменилась коренным образом. Изменилась и жизнь людей. Специалисты называют это транспортной доступностью «по Форду»: появилась возможность купить автомобиль и поехать на нем куда-то.

Так вот, с моей точки зрения, КПД двигателя внутреннего сгорания далеко не исчерпан. За последние 10–20 лет его параметры очень сильно изменились: он стал более экономичным, мощным, экологичным. К сожалению, сейчас сворачиваются дальнейшие разработки по ДВС, особенно по дизелю. Все кричат, что наше светлое будущее — это электродвигатели. Но перспективы есть и в других отраслях, например в нескольких странах работают над водородными топливными элементами. Возможно, какие-то прорывы будут и с двигателем на ядерном топливе…

А вот что касается электромобилей, то с ними еще очень много нерешенных вопросов.

Ключевой из этих вопросов: на сегодняшний день так и не создан аккумулятор, который позволил бы электромобилю на одном заряде проехать большое расстояние в любую погоду.

Сегодня максимум, который он может преодолеть,— это 300 км при теплой погоде и ровной дороге без пробок. Это много, но, к примеру, в условиях России явно недостаточно.

К тому же современные аккумуляторы чудовищно дороги. Если не будет государственной поддержки, электромобиль просто никто не купит: сегодня он стоит в 2,5—3 раза дороже, чем автомобиль с ДВС того же класса. И соответственно, все те продажи, которые идут в мире, происходят при поддержке разных государственных программ. Когда будет создан дешевый и мощный аккумулятор? Никто не знает. Его обещали создать и год, и пять лет назад…

Еще одна принципиальная проблема, связанная с электромобилями, заключается в том, что при выработке электроэнергии все равно расходуется топливо, просто другое. 60 процентов электростанций (а это они вырабатывают электроэнергию, которая используется для зарядки электромобилей.— «О») в мире сегодня, напомню, работает на угле и, соответственно, загрязняют окружающую среду.

Нельзя не упомянуть и об отсутствии программы утилизации аккумуляторов. Одна компания — мировой лидер по производству электромобилей — после 7 лет эксплуатации забирает эти аккумуляторы и предлагает их владельцам частных домов в качестве аварийного источника энергии. То есть утилизировать их не умеют… В общем, как мне кажется, энтузиазм стран и правительств по поводу электромобилей несколько преждевременен: без госпрограмм поддержки все это долго не продержится. А вот прощаться с ДВС я бы не торопился…

Брифинг

Торстен Мюллер-Отвос, гендиректор английской компании, выпускающей автомобили класса люкс

Мы представим электрическую модель в следующем десятилетии, однако не будем спешить убирать ДВС из портфолио. Переход к электрокарам будет постепенным, и какое-то время они пойдут параллельно… Беспилотники станут для нас интересны тогда, когда они будут функциональными, удобными в использовании, не требующими усилий и полностью автономными, то есть тогда, когда они смогут полностью заменить водителя. Вот тогда мы скажем: «Давайте сделаем это».

Источник: «Автопилот Онлайн»

Александр Фертман, директор по науке, технологиям и образованию фонда «Сколково»

Те горизонты, которые сегодня нарисованы в Европе по поводу отказа от двигателя внутреннего сгорания, наводят на мысль, что это серьезный технологический рывок. А главное, что создается огромный рынок.  Новые виды аккумуляторов постоянно разрабатываются, эта тема одна из самых инвестируемых, если не говорить об IT-секторе. И это не только сама батарея, это и система управления. Здесь, кстати, у России действительно есть интересные проекты. Важно не только то, как вам отдает энергию батарея, но и то, как вы управляете ячейками, чтобы ячейки разряжались одновременно, равномерно.

Источник: «Эхо Москвы»

Коджи Нагано, автодизайнер

— Каким будет автомобиль лет через 30?

— Думаю, внешний вид автомобилей будет сильно зависеть от типа двигателя. Но, как и раньше, автомобилю нужен будет кузов, внутреннее пространство, колеса. Если говорить об автомобиле будущего, то есть такая жутко интересная вещь, как 3D-принтер. И я могу себе представить, что скоро каждый человек сможет создать автомобиль у себя дома, просто напечатать именно тот, который нужен ему. Возможно, он нарисует этот автомобиль сам или использует готовый дизайн.

Источник: Autonews

Двигатель внутреннего сгорания: устройство и принцип работы

 

Согласитесь, что сегодня невозможно представить себе современный мир без автомобилей, поездов, теплоходов и так далее. А ведь так было не всегда.

Еще совсем недавно каких-то двести лет назад единственным средством передвижения по земле кроме собственных ног были лошади. Лошади возили телеги, повозки, кареты, даже вагоны по рельсам.

И мысль о том, что все это можно передвигать без помощи этих несчастных животных была из области фантастики. Тогда-то, в начале 19 века, и начались первые изобретения самоходных машин на основе парового двигателя.

В таком двигателе нагревался огнем наполненный водой котел, и пар от кипящей воды совершал механическую работу по приведению двигателя в ход. Двигатели были чудовищными, малоэффективными, огромными и небезопасными. Однако, на основе этих двигателей были созданы первые автомобили, паровозы и пароходы.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания

Людям понравилась эта затея, несмотря на все минусы. Тогда это было чудом техники. И лишь в 1860 году, когда паровые двигатели применялись уже повсеместно и перестали считаться чем-то необыкновенным, был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания.

Еще 18 лет понадобилось, чтобы изобретение доработали до нормально работающего варианта, который и по сей день является основой любого двигателя внутреннего сгорания четырехтактного двигателя.

Еще через семь лет двигатели начали работать на бензине. До этого их топливом был светильный газ. В наше время практически везде применяются двигатели внутреннего сгорания с кратным четырем количеством цилиндров. Давайте рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Он состоит из цилиндра с поршнем, клапанов для впуска топлива и выпуска отработанных паров и коленчатого вала, соединенного с поршнем. Разберем, как работает двигатель внутреннего сгорания на основе простейшего одноцилиндрового движка.

Во время первого такта сквозь топливный клапан впускается горючая смесь бензина и воздуха. Поршень двигается вниз.

На втором такте поршень двигается вверх, сжимая эту смесь, отчего она нагревается.

Третий такт: сжатая смесь поджигается электрической свечой, и энергия от этого небольшого взрыва толкает поршень вниз, приводя в движение коленчатый вал. Энергии толчка достаточно, чтобы коленвал, вращаясь по инерции, приводил в движение поршень при последующих тактах.

И наконец, на четвертом такте, сквозь второй клапан отработанные газы выталкиваются поршнем из цилиндра. Как видно, только один из четырех тактов рабочий.

Для равномерного вращения вала и увеличения мощности совмещают на одном валу четыре цилиндра таким образом, чтобы во время каждого такта один из цилиндров был в стадии рабочего хода. В таком случае они равномерно и последовательно вращают коленвал. Восемь, двенадцать и более цилиндров применяются уже исключительно для увеличения мощности движка.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Удельная теплота парообразования
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspЭлектризация тел: два рода зарядов

Может быть, у двигателя внутреннего сгорания есть будущее

Группа исследователей из Технологического университета Эйндховена (TU / e, Нидерланды) считает, что у двигателя внутреннего сгорания все-таки есть будущее. Секрет заключается в зеленом водороде в сочетании с благородным газом аргоном. Этот газ естественным образом присутствует в воздухе и может дешево производиться при отделении воздуха. С помощью Argon Power Cycle (APC) выбросы CO2 и оксидов азота могут быть сокращены до минимума.Мы рассказали об этом на прошлой неделе.

Практически все уже отказались от двигателей внутреннего сгорания, так почему же они думают, что они все еще жизнеспособны?

Еще до того, как выслушать вопрос целиком, Йерун ван Ойен, научный сотрудник факультета машиностроения, расхохотался: «Это полная чушь. Возможно, это относится к легким транспортным средствам, таким как легковые автомобили и небольшие грузовики или фургоны. Все они в будущем будут электрическими. Но электродвигатели еще не совсем подходят для дальних путешествий, поэтому двигатели внутреннего сгорания еще точно не списаны.”

По словам ван Ойена, основная проблема заключается в ископаемом топливе, которое используется в этих двигателях внутреннего сгорания. «Ищутся другие виды топлива, чтобы минимизировать углеродный след и снизить выбросы почти до нуля. Вот где действительно списывается ископаемое топливо. Например, мы уже проводим много исследований по большегрузным автомобилям. Вы можете видеть здесь, что выбросы от дизельных двигателей за последние десять лет значительно снизились. Юридические требования также становятся более строгими для достижения поставленных целей.Это хорошо, и они нужны, чтобы иметь еще более чистые автомобили ».

Подпишитесь на нашу рассылку новостей!

Ваш еженедельный обзор инноваций Каждое воскресенье лучшие статьи недели в вашем почтовом ящике.

Как вам пришла в голову идея объединить аргон и водород?

«Мы давно занимаемся исследованиями двигателей внутреннего сгорания. Как сделать их более эффективными? Какое топливо мы можем использовать? Как мы можем сократить выбросы? Газ аргон обеспечивает очень высокий КПД, и в прошлом это привлекало некоторое внимание.Но это была только теоретическая сторона дела, практическая сторона дела оказалась сложнее. В Беркли коллеги работали над газовым двигателем, который воспламеняется от искры, как бензиновый двигатель. КПД этого двигателя уже был немного выше, чем у газового двигателя, работающего на воздухе, но все же не так высок, как мог бы быть теоретически ».

Но ван Ойен видел, что это было еще не все. «Тогда я действительно был укушен насекомым. Я не мог позволить этому уйти и начал играть с этим.Я хотел сделать это умнее и лучше. Тогда мне пришла в голову идея увидеть в нем дизельный двигатель. В таком традиционном двигателе воздух сильно сжимается, что приводит к повышению температуры. В тот момент, когда давление достигает максимума, впрыскивается дизельное топливо, которое затем воспламеняется из-за высоких температур. Это заставляет поршень с силой двигаться вниз ».

Почему тогда лучше использовать газ аргон?

«Если вы поместите воздух под высоким давлением, он будет вибрировать.Это гарантирует, что энергия не попадет непосредственно на поршень при его воспламенении. Этого не происходит с газом аргоном, поэтому вся энергия топлива направляется на поршень гораздо более непосредственно. Это дает вам гораздо более эффективный двигатель. Вы также можете утилизировать выхлопные газы. Конденсатор охлаждает его до температуры ниже 100 градусов, так что вода исчезает, а аргон может быть возвращен в двигатель. Наша партнерская лаборатория в Беркли продемонстрировала, что этот замкнутый контур работает. Это не только эффективно, но и чисто.”

Это также применимо, если биотопливо или природный газ подается в двигатель с аргоном вместо зеленого водорода, утверждает Ван Ойен. «Используя специальную систему, мы можем отфильтровать CO2, который выделяется при сгорании. Это делает двигатель немного менее эффективным, но уловленный CO2 можно снова использовать в качестве сырья для производства топлива, такого как, например, метанол ».

Задача Van Oijen состоит в том, чтобы выяснить, в каком порядке и под каким давлением газообразный аргон, водород и воздух следует впрыскивать для наиболее оптимального двигателя.«Сравните это с качелями, вы толкаете в самый подходящий момент — в наивысшую точку. Это применимо и здесь. Слишком раннее зажигание, которое иногда случается с аргоном, потому что он быстро нагревается, приведет к тому, что ваш поршень сломается быстрее. И если вы зажжете слишком поздно, оптимальное давление уже исчезнет, ​​и вы потеряете эффективность ».

Доказательство того, что этот двигатель может быть более эффективным

Чтобы выяснить, как это работает, Ван Ойен начинает с использования подхода численного моделирования.«Остальной мир на самом деле не заинтересован в этом, но меня это действительно радует. Никто никогда не исследовал кислород, аргон и водород в двигателе внутреннего сгорания. Обычно у вас есть два компонента, теперь их три. Это делает его более сложным и интересным для меня. Мне особенно интересно смотреть на проблемы с потоком. Как реагирует аргон, как он смешивается и что происходит, когда он находится под давлением? Это чрезвычайно сложные с математической точки зрения модели, на то, чтобы разобраться с которыми суперкомпьютеру потребовалось бы несколько дней.Для меня задача — продемонстрировать, что таким образом можно создать чистый и эффективный двигатель. Все это должно быть абсолютно точным с научной точки зрения », — объясняет Ван Ойен.

Ему все равно, будет ли на рынке когда-либо функционирующая версия? «Конечно, это было бы здорово. Раньше я исследовал более эффективные авиационные двигатели, и каждый раз, когда я сажусь в самолет, я с чувством гордости заглядываю под крыло. Я способствовал этому.Так что было бы определенно обидно, если бы мы продемонстрировали, что двигатель на аргоне работает, а из этого ничего не вышло бы. Но продавать технику — не мое, я не продавец ».

Сотрудничество с бывшим магистрантом

Чтобы воплотить это исследование в работающий двигатель, Ван Ойен работает, среди прочего, со своим бывшим учеником магистра Мигелем Сьерра Аснаром. С тех пор Азнар основал стартап, основанный на этой технике, Noble Thermodynamics. «Мы всегда поддерживали связь, в том числе во время его докторской диссертации в Беркли.А пока, думаю, я могу сказать, что мы стали друзьями. Мы очень хорошо работаем вместе и у нас хорошие отношения. Он настоящий предприниматель и постоянно ведет переговоры со всеми, чтобы мы могли добиться успеха ».

Конец ДВС? | Энергия

Двигатель внутреннего сгорания произвел революцию в жизни человека.

Он сделал возможным обычное: автомобиль, Uber, автобус, мотоцикл. Мы поднялись в небо на самолетах и ​​расправили крылья по всему миру.Он даже мобилизовал войну с помощью танков, кораблей и подводных лодок. Производительность сельского хозяйства резко возросла с появлением тракторов и другой сельскохозяйственной техники. Это принесло нефтедобывающим странам невообразимое богатство.

Но после 160 лет формирования мира, в котором мы живем, исчезновение этой необычайной силы к переменам становится очевидным.

Растущее стремление к нулевым выбросам углерода к 2050 году означает, что нас ждет новая революция, которая изменит то, как мы питаем нашу жизнь дома, на полях наших фермеров и в дороге.

Электромобили

Хотя некоторые скажут, что нейтрализации выбросов углерода к 2050 году недостаточно для предотвращения наихудших последствий изменения климата, мы можем с уверенностью сказать, что эра электромобилей уже наступила. От Соединенных Штатов до Европейского Союза и за его пределами страны обязуются постепенно отказаться от продажи новых бензиновых и дизельных автомобилей в течение 15 лет.

В Китае покупатели автомобилей купили в 2019 году больше автомобилей с подзарядкой от сети, чем во всем остальном мире вместе взятых. В Норвегии более 60 процентов новых автомобилей, зарегистрированных в сентябре этого года, были электрическими.

В мире аккумуляторные технологии дешевеют. Согласно исследованию BloombergNEF, стоимость литий-ионной аккумуляторной батареи для электромобиля упала на 87 процентов с 2010 по 2019 год.

В настоящее время Tesla является самым дорогим производителем автомобилей в мире, несмотря на то, что производит гораздо меньше автомобилей, чем ее конкуренты, такие как Toyota и Volkswagen.

Зарядная станция Tesla в Калифорнии. Электромобили становятся все более популярными во всем мире [EPA]

Ископаемое топливо

Между тем на ископаемое топливо по-прежнему приходится 80 процентов мировой энергии.Но, как отметил энергетический аналитик Рамез Наам в увлекательном эпизоде ​​подкаста «Возмущение и оптимизм», которую ведет бывший глава ООН по климату Кристиана Фигерес, баланс быстро меняется.

«Стоимость энергии ветра снизилась в 10 раз», — сказал Наам.

«Все это не происходит так быстро, как нам хотелось бы. Но это происходит намного быстрее, чем думают люди в промышленности, особенно в индустрии ископаемого топлива или автомобилестроении.

«И что ясно, двигатель внутреннего сгорания для наземного транспорта мертв, мертв, мертв, мертв».

Вызов впереди

В то время как выбросы в выхлопные трубы легковых и грузовых автомобилей в ближайшие десятилетия будут постепенно сокращаться, другие транспортные секторы представляют в целом более серьезную проблему.

На долю авиации приходится 3 процента мирового углеродного следа (некоторые говорят, что больше), но обеспечение устойчивого энергоснабжения пассажирских самолетов — сложная задача. Тем не менее, есть оптимизм в отношении того, что к 2050 году полеты на короткие расстояния по крайней мере будут основываться на экологически чистых технологиях, таких как водородные топливные элементы.

Судоходство — одна из самых сложных областей для перехода. На мировой торговый флот приходится 90 процентов мировой торговли.

После перехода от парусов в середине 19 века к пароходам, работающим на угле, а затем к современной эре мазута, промышленность теперь снова обращается к естественным источникам движения. Это серьезная и трудная проблема, особенно для колоссальных балкеров, курсирующих по нашим океанам.

Но переход начался. Китай обещает стать углеродно-нейтральным как минимум к 2060 году.Избранный президент США Джо Байден предлагает к 2035 году сделать производство электроэнергии в США безуглеродным, создав при этом миллионы рабочих мест. Во всем мире страны повышают свои амбиции по сокращению выбросов.

Опять же, необходимо сделать больше, но все это способствует техническому прогрессу во всех секторах.

И в ближайшие годы двигатель внутреннего сгорания, этот выдающийся подвиг научного прогресса, станет главой истории, поскольку мы тихо гудим в наших электромобилях.

Портрет Карла Бенца и копия патента на первый в мире автомобиль с газовым двигателем внутреннего сгорания, трехколесный автомобиль Velociped, который был выдан 29 января 1886 года на изобретение Бенца. Транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания могут скоро уйти в прошлое [AP]

Сводка по окружающей среде

1. Способствует ли ваш куриный бургер вырубке лесов ?: Новое расследование показало, что огромные площади лесов в Бразилии вырубают для посадки соевых бобов, которые затем отправляются в Великобританию и используются в качестве корма для кур, которые в конечном итоге продается в основных супермаркетах и ​​ресторанах.

2. Самая высокая научная лаборатория в мире: В прошлом году 34 климатолога поднялись на гору Эверест со всем своим оборудованием, чтобы изучить изменения окружающей среды, происходящие на самой высокой вершине мира, почему они происходят и что можно с этим сделать. .

3. Осенние листья опадают раньше: Из-за глобального потепления деревья в Европе, кажется, сбрасывают листья раньше обычного. Это также означает, что они смогут хранить меньше углерода, чем надеялись ученые.

4. Климатический вызов Джо Байдена: С новым избранным президентом США больше не будут мировым лидером в борьбе с наукой о климате. Но будет ли смены администрации достаточно, чтобы помочь в борьбе с глобальным потеплением?

Последнее слово

Итак, вы должны спросить себя … Я генеральный директор нефтегазовой компании или генеральный директор энергетической компании? Потому что первый обречен. Во-вторых, это значительный рост, поскольку в 2050 году мир будет использовать гораздо больше энергии.Но это будет чистая энергия.

Рамез Наам, аналитик по энергетике

Добро пожаловать в будущее: что означает эпоха двигателей внутреннего сгорания для наших городов?

В 1879 году Карл Бенц получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания — так началась эра автомобилей, работающих на ископаемом топливе. Менее чем через 150 лет конец той эпохи близок. В результате мы все в буквальном смысле сможем дышать легче.

Но хотя ряд заявлений производителей автомобилей и политиков за последние недели показал, что конец бензиновых и дизельных автомобилей неизбежен, предполагаемые темпы изменений все еще слишком медленны.

Загрязнение воздуха, большая часть которого является побочным продуктом выбросов от транспортных средств, ежегодно вызывает более 4,2 млн преждевременных смертей. Те же выбросы, которые отравляют наш воздух, также вызывают изменение климата. Исследование C40 показало, что крупнейшим городам мира необходимо достичь пика выбросов к 2020 году с уделением особого внимания их транспортным секторам, если есть хоть какая-то надежда на выполнение Парижского соглашения и предотвращение катастрофического изменения климата.

В последние месяцы был достигнут определенный прогресс в признании необходимости принятия мер по борьбе с загрязнением воздуха.Возможно, наиболее значительным является то, что Великобритания и Франция обязались запретить продажу дизельных и бензиновых автомобилей к 2040 году, и теперь Китай намерен последовать их примеру.

Европейский союз поставил цель к 2050 году сократить выбросы в транспортном секторе на 95 процентов. Реализация этой амбиции означает, что к 2050 году каждый автомобиль, фургон, автобус и грузовик на улицах европейских городов должен иметь нулевые выбросы. Поскольку средний возраст автомобилей составляет 15 лет, после 2035 года нельзя продавать автомобили с дизельным или бензиновым двигателем.Ряд европейских городов возглавляют эту инициативу: Осло стремится к 2020 году обеспечить общественный транспорт, работающий на возобновляемых источниках энергии, а Амстердам — ​​к 2025 году.

Сегодня именно азиатские страны возглавляют масштабную революцию в области автомобилей с низким и нулевым выбросом углерода: 98 процентов мировых продаж электрических автобусов приходятся на Китай и Шэньчжэнь, а к концу этого года парк полностью электрических автобусов составит 17000 автомобилей. в этом году. В целом, на дорогах Китая больше электромобилей, чем в любой другой стране.Индия также поставила перед собой поистине амбициозную цель — электрифицировать все новые автомобили к 2030 году, тем самым установив ориентир для других стран.

Города находятся в авангарде глобальных усилий по борьбе с загрязнением воздуха и выбросами парниковых газов от транспорта. Лондон, например, выдвинул свои планы по введению в действие зоны со сверхнизким уровнем выбросов в 2019 году, при этом въезд в город будет взиматься с наиболее загрязняющих транспортных средств. Мэр Садик Хан недавно объявил, что новые такси должны иметь нулевые выбросы в 2020 году, а все автобусы будут иметь нулевые выбросы к 2037 году.Лондон и 14 других городов C40 собрались на этой неделе в Ухане, Китай, чтобы узнать друг друга об идеях и стратегиях движения к более чистой мобильности в будущем.

Эти обязательства национальных и местных органов власти должны соответствовать обязательствам промышленности. Несколько производителей автомобилей сделали важные заявления, которые отражают их осознание того, что будущее автомобилей за электричеством. Volvo пообещала, что с 2019 года все новые автомобили, которые она выпускает, будут электрическими или гибридными. Volkswagen, крупнейший в мире производитель автомобилей, инвестирует 20 миллиардов евро, чтобы к 2030 году предложить электрические версии всех своих 300 моделей.

---

Это похвально, но нам еще далеко до того, к чему нам нужно добраться. Поскольку Volkswagen переходит от дизельного топлива к гибридам в своих небольших автомобилях, важно понимать, что у гибрида может быть более низкий уровень NOx (основного загрязнителя, который особенно опасен для здоровья человека), но он часто имеет те же выбросы CO2, что и эквивалентный дизельный автомобиль. Хотя это изменение может улучшить качество воздуха, оно не учитывает воздействия этого транспортного средства на климат.

Автомобиль с нулевым уровнем выбросов — еще лучший выбор, но при его производстве будет значительный углеродный след.Производители автомобилей должны предпринять серьезные шаги по обезуглероживанию своих производств и цепочек поставок.

Хотя производители автомобилей берут на себя серьезные обязательства, очевидно, что они реагируют на руководство мэров и других политических лидеров, решивших заняться проблемами качества воздуха и изменения климата. Когда Эрик Йоннарт, генеральный секретарь Европейской ассоциации автомобильной промышленности (ACEA) предупреждает, что «мы, кажется, возвращаемся в средние века, когда города определяли, как нужно делать, », и вместо этого призвали к ЕС- Я серьезно сомневаюсь, что это был широкий подход к качеству воздуха, потому что он надеется, что общеевропейская политика будет строже, чем политика Парижа и Лондона.

В конечном счете, частные автомобили никогда не будут лучшим решением для защиты климата и чистого воздуха. Исследования показывают, что пыль и микрочастицы, выделяемые из шин и тормозов, составляют до 50 процентов загрязнения твердыми частицами в наших городах. Хотя электрификация наших транспортных средств является важным шагом в борьбе с загрязнением воздуха и изменением климата, гражданам в конечном итоге придется отказаться от личных автомобилей и перейти к общественному транспорту — автобусам, поездам, совместному использованию автомобилей — и старомодным пешим и велосипедным прогулкам.Это не только сделает наши улицы безопаснее, спокойнее и приятнее, но и изменит то, как наши города функционируют для их жителей. Меньше машин — больше места для велосипедистов, пешеходов и публики.

Трудно поверить, что менее 150 лет назад ни один город на земле никогда не видел автомобиля на своих улицах. В наших городских пейзажах так доминируют инфраструктура и наличие автомобилей. Переход на автомобили с низким и нулевым уровнем выбросов теперь необратим и изменит наши городские центры, возможно, на этот раз начав с городов Азии.

Однако реальность климатического кризиса, с которым столкнулась наша планета, означает, что мы должны представить себе преобразование улиц наших городов, которое может быть даже более радикальным, чем изменение с тех пор, как Карл Бенц впервые запатентовал свой двигатель внутреннего сгорания. Новая эра действительно только начинается.

Марк Уоттс — исполнительный директор C40 Cities.

Хотите еще об этом? Подпишитесь на CityMetric на Twitter или Facebook .
Эта статья из архива CityMetric: может отсутствовать некоторое форматирование и изображения.

Двигатель внутреннего сгорания — обзор

Первые разработки

Развитие транспортного биотоплива идет рука об руку с изобретением двигателя внутреннего сгорания. Считается, что его прототип был впервые концептуализирован американским изобретателем Сэмюэлем Мори (1762–1843) в начале 19 века (Коварик, 1998). Однако только в начале 1860-х годов немецкий изобретатель Николаус Август Отто (1832–1891) в сотрудничестве с механиком Майклом Джозефом Зонс разработал первую четырехтактную версию двигателя внутреннего сгорания, широко известную сегодня как искровое зажигание ( или бензиновый) двигатель, или просто двигатель Отто (Коварик, 1998).Другая версия двигателя внутреннего сгорания, двигатель с воспламенением от сжатия, была разработана несколькими десятилетиями позже немецким изобретателем Рудольфом Дизелем (1858–1913). Этот дизельный двигатель до сих пор носит имя своего изобретателя (Коварик, 1998).

Хотя сегодня в двигателях внутреннего сгорания для питания транспортных средств используются продукты на нефтяной основе, изначально они были разработаны для использования биотоплива, такого как этанол. Отто разработал свой двигатель в сотрудничестве с Ойгеном Лангеном (1833–1895 гг.), Немецким изобретателем и предпринимателем, который также владел сахарным заводом.Это заставляет многих полагать, что Отто использовал этанол в качестве основного топлива. Точно так же Дизель тестировал в своем двигателе различные виды топлива, включая этанол и биодизель. Фактически, на одной из первых демонстраций Дизеля на Всемирной выставке в Париже в 1897 году дизельный двигатель работал на арахисовом масле (Biofuels, 2018). Хотя из-за высокого содержания воды и более низкого энергосодержания потребовалось несколько регулировок для работы двигателей внутреннего сгорания на этаноле в течение длительного периода времени, все испытания, проведенные Diesel, продемонстрировали возможность его использования с выходом энергии, идентичным топливо на основе нефти (Коварик, 1998).Это соответствовало большинству других исследований этанола в качестве моторного топлива, которые продемонстрировали либо удовлетворительные, либо даже превосходные характеристики этанола по сравнению с топливом на нефтяной основе (Kovarik, 1998).

Первоначальная конструкция двигателя внутреннего сгорания для биотоплива была связана с тем, что это самый популярный вид топлива, и в то время никто не мог подумать, что биотопливо будет маркировать как «новое» или «альтернативное». Например, этанол в качестве топлива для освещения уже тогда широко использовался во всем мире, в то время как нефть, впервые обнаруженная в Пенсильвании (США) в 1859 году, только появлялась в качестве источника энергии (Коварик, 1998).Коммерческое использование этанола в качестве «обычного» моторного топлива стало жертвой недальновидных политических и экономических решений в Соединенных Штатах. Чтобы собрать деньги на войну, во время Гражданской войны в США (1861–1865 гг.) На этанол был введен налог в размере 2,08 доллара за галлон. Этанол стал слишком дорогим, и его производство резко сократилось, что способствовало развитию нефтяной промышленности США, поскольку последняя извлекала выгоду из того, что не облагалась этим налогом.

Когда в 1906 году налог на этанол был отменен, в Соединенных Штатах были предприняты отдельные попытки коммерциализировать этанол и топливные смеси на основе нефти.Наиболее ярким примером этих усилий стало движение сельскохозяйственных химиков 1930-х годов, целью которого было содействие производству промышленных продуктов из сельскохозяйственного сырья (Hale, 1934). Движение поддержали некоторые промышленники. Например, оригинальный автомобиль Генри Форда (1863–1947) (так называемая Модель T), построенный в то время, был разработан для работы на этаноле (New York Times, 1925). Однако эти усилия были встречены противодействием нефтяной промышленности, которая лоббировала возрождение этанола и его использования в топливных смесях с нефтью.Из-за сильного лоббирования отрасли законодательные предложения по продвижению этанола в качестве моторного топлива не увенчались успехом. Негативную роль сыграло и начало сухого закона в 1919 году. Хотя этанол в этот период все еще можно было использовать в транспортных средствах в смеси с нефтью (Управление энергетической информации, 2017), производство этанола в качестве моторного топлива было остановлено из-за отсутствия спроса. После отмены сухого закона в 1933 году производство этанола в США возродилось, но только для того, чтобы в значительной степени удовлетворить быстрорастущий рыночный спрос на давно запрещенные алкогольные напитки.В результате выросла национальная и глобальная зависимость от транспортного топлива на нефтяной основе.

Еще одним важным фактором, способствовавшим снижению популярности этанола в качестве транспортного топлива в Соединенных Штатах, было открытие положительного влияния свинца на характеристики двигателей внутреннего сгорания в 1920-х годах. Чтобы уменьшить детонацию двигателя, этанол можно смешивать с топливом на нефтяной основе; однако два промышленных исследователя, Томас Мидгли (1889–1944) и Чарльз Кеттеринг (1876–1958), обнаружили, как тетраэтилсвинец может использоваться для тех же целей (Коварик, 1998).Исследования воздействия на здоровье этилированного транспортного топлива не обсуждались или прекращались в то время, что в сочетании с производственными ограничениями, введенными запретом, привело к полной замене этанола тетраэтилсвинцом в моторном топливе. Только в 1980–90-х годах негативные последствия использования этилированного транспортного топлива для здоровья были клинически доказаны и, следовательно, получили политическое признание, и тетраэтилсвинец был запрещен в качестве топливной добавки в развитых странах (Loefgren and Hammar, 2000).

В отличие от Соединенных Штатов, (известные в то время) запасы нефти в Европе были ограничены, что вызвало политическую озабоченность по поводу надежности ее поставок в качестве топлива. В результате такие страны, как Франция, Германия и Великобритания, начали продвигать использование этанола на транспорте. Двигатели были разработаны для работы на смеси этанола и топлива на основе нефти, а некоторые двигатели даже были разработаны для работы на чистом этаноле. В Европе этанол получали из картофеля и винограда в качестве основного сырья, тогда как в других странах мира сахарный тростник и патока представляли собой еще одно важное сырье в то время (Коварик, 1998).Использование этанола в качестве транспортного топлива поощрялось политически и с помощью налоговых льгот. В Германии, например, на нефть были введены специальные импортные пошлины, и специализированная организация, Centrale für Spiritus-Verwerthung, отвечала за регулирование национального рынка этанола, в том числе для производства транспортного топлива (Kovarik, 1998). Некоторые ученые считают, что политическая поддержка использования этанола на транспорте в Германии могла продлить Первую мировую войну, поскольку (сэкономленные) запасы нефти использовались в военных целях (Kovarik, 1998).Несмотря на более высокую популярность, чем в США, этанол не стал «обычным» транспортным топливом в Европе в межвоенный период. Частично это было связано с быстрым снижением затрат на производство топлива на основе нефти, но также и потому, что подготовка ко Второй мировой войне перенаправила традиционное этанольное сырье на производство военных материалов (Коварик, 1998).

Во время Второй мировой войны спрос на биотопливо снова увеличился, поскольку ископаемое топливо стало менее распространенным (Biofuels, 2018).Однако этот спрос длился недолго, и послевоенное восстановление мировой экономики явилось основным фактором, уменьшившим роль биотоплива на транспорте. Поскольку нефть была доступна в изобилии и дешево, промышленные и академические исследования технологии биотоплива в то время в значительной степени бездействовали. Именно топливный кризис 1970–80-х годов и более жесткие стандарты выбросов и экономии топлива, введенные в 1990-х годах, вернули к жизни общественный интерес к биотопливу (Biofuels, 2018; Lee and Mo, 2011). С тех пор соответствующая программа исследований неуклонно развивалась, и регулярно публикуются исследования по различным аспектам использования технологии биотоплива на транспорте, включая экономику производства, усовершенствования конструкции двигателей и отношение потребителей (Xu and Boeing, 2013).Сегодня биотопливо представляет собой важную тему в международном политическом и исследовательском дискурсе, учитывая значительную роль, которую они, как ожидается, будут играть в удовлетворении будущего глобального спроса на энергию и в сокращении углеродного следа при производстве энергии.

Повышение оборотов двигателя внутреннего сгорания

Главная> Новости> Повышение оборотов двигателя внутреннего сгорания

2 марта 2009 г., Эбби Кон

Пост-доктор Хантер Мак (слева) и профессор ME Роберт Диббл за работой в Лаборатории анализа горения в Hesse Hall на одноцилиндровом двигателе Waukesha CFR, промышленном прототипе для проведения исследований двигателей внутреннего сгорания.(Фото Роя Кальчмидта.) В поисках более умных автомобилей будущего Хантер Мак (MS’04, Ph.D.’07 ME) придает новый импульс двигателю внутреннего сгорания.

Мак как исследователь в Berkeley Engineering специализируется на инновационной системе под названием HCCI, которая работает как нечто среднее между бензиновым и дизельным двигателями.

HCCI, сокращение от воспламенения от сжатия однородного заряда, обеспечивает на 30 процентов лучшую экономию топлива, чем газовые двигатели, выделяет гораздо меньше выбросов, чем типичный дизельный двигатель, и не заботится о том, что накачивается в его бак.А поскольку HCCI является модификацией обычного двигателя, система в целом или ее элементы могут быть установлены в новые автомобили в течение 5-10 лет.

«Возьмите то, что уже существует, и сделайте его лучше», — говорит Мак, член исследовательской группы HCCI из восьми человек в Беркли, возглавляемой профессором Робертом Дибблом. «Это самый быстрый способ оказать немедленное влияние».

Хотя Мак считает, что для удовлетворения глобальной потребности в более экологичных формах личного транспорта необходимы различные технологии нового поколения, он уверен, что HCCI будет фигурировать в этом сочетании.General Motors и Mercedes-Benz уже построили демонстрационные автомобили с двигателями HCCI.

Но развитие HCCI натолкнулось на определенные препятствия. Система, впервые разработанная японскими исследователями в конце 1970-х годов, работает путем предварительного смешивания топлива и воздуха вне цилиндров, как в газовом двигателе. В этом случае топливо воспламеняется автоматически, как в дизельном двигателе с высокой степенью сжатия, а не с помощью свечи зажигания. Самые большие проблемы — это контроль точного времени сгорания и повышение выходной мощности двигателя.«HCCI — это своего рода сварливый автомобильный двигатель», — говорит Мак.

По словам Мак, бортовые компьютерные технологии и современные сенсорные устройства

помогают решить эти проблемы, а HCCI «будет применяться в двигателях будущих поколений». В лаборатории анализа горения на первом этаже в Гессен-холле Мак и его коллеги изучают и модифицируют экспериментальные системы HCCI на паре одноцилиндровых двигателей и четырехцилиндровом дизельном двигателе VW.

В тандеме с этими усилиями Mack определяет самые чистые и наиболее эффективные смеси топлива для закачки в резервуары в недалеком будущем.В одном исследовании он применил атомную масс-спектрометрию в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) для отслеживания углерода-14 в образцах выхлопных газов, что является новым подходом к пониманию того, как двигатель HCCI сжигает смесь этанола и диэтилового эфира. Список потенциальных видов топлива Мака длинный и экзотический. Он включает набор смешанных спиртов из таких биологических источников, как водоросли и древесные отходы, а также этанол, смешанный с водой в высоких концентрациях. «Мы пытаемся создать движок, которому все равно, что он видит», — объясняет он.

Хантер Мак (MS’04, Ph.D.’07 ME). (Фото Роя Кальчмидта.) Работа Беркли над HCCI началась в 1998 году, когда Диббл начал тестирование системы на исследовательской машине в рамках исследования, проводимого в LLNL. Диббл был заинтригован тем, насколько мало оксида азота производит двигатель. «Никогда прежде у нас не было двигателя, который уменьшал бы загрязнение в 100 раз за одну ночь», — говорит он. Сегодня исследователи из Беркли являются частью консорциума HCCI с несколькими университетами, финансируемого Университетом США.С. Министерство энергетики.

Уроженец Арканзаса, Мак называет свое исследование «случайным выбором». Он никогда не слышал о HCCI до того, как летом 2002 года приехал в Беркли, чтобы поработать с Дибблом и поступить в аспирантуру. Мак получил степень бакалавра физики и машиностроения в Хендрикс-колледже в Арканзасе и Вашингтонском университете в Миссури, соответственно, и знал, что хочет продолжить исследования двигателей в той или иной форме. «Я не возился с машинами и не имел маслкаров. Мне просто нравилась наука, стоящая за этим.”

В связи с тем, что в области электрических технологий, топливных элементов, солнечных батарей и других технологий для новых автомобилей проводится так много громких работ, Мака часто спрашивают, почему он изучает двигатель внутреннего сгорания.

«Есть еще возможности для улучшения», — отвечает он. 30-летний Мак не ожидает, что при жизни он станет свидетелем того, как этот двигатель остановится. Вместо этого он говорит: «Я думаю, что они будут использоваться все реже и умнее». По его словам, одним из первых шагов может стать производство двигателей с двойным искровым зажиганием и HCCI.

«В идеале цель всех этих исследований — найти способ устойчивого производства топлива, а также разработать двигатели, которые будут работать с эффективностью, не причиняющей вреда окружающей среде».

2021 МИЭФ — Осенняя конференция по двигателям внутреннего сгорания

Д-р Джеймс П. Шибист является главой отдела науки о двигательных установках в Окриджской национальной лаборатории, а также возглавляет техническую группу по свойствам топлива в рамках инициативы Co-Optima Министерства энергетики США и входит в руководящую группу Министерства энергетики США. партнерство с консорциумом по продвижению двигателей внутреннего сгорания (PACE).Его исследовательские интересы сосредоточены на разработке лучшего понимания взаимодействия двигателя и топлива, включая процессы самовоспламенения, которые приводят к детонации в двигателях с искровым зажиганием и самовоспламенению в двигателях внутреннего сгорания при низких температурах, а также использование кинетики для разработки улучшенного концептуального понимания этого явления. Он является членом Общества автомобильных инженеров (SAE) и лауреатом премии SAE Harry L. Horning в 2015 году. Он получил докторскую степень. закончил Государственный университет Пенсильвании по топливным наукам в 2005 году, а затем присоединился к Окриджской национальной лаборатории в качестве постдока.

Название презентации: Перспективы двигателей в декарбонизированном транспортном секторе

Федерико Милло — полный профессор автомобильных двигателей внутреннего сгорания в Политехническом университете Турина, Италия, где он также получил степень магистра машиностроения в 1989 году, прежде чем присоединиться к факультету в качестве ассистента исследователя в 1991 году. Его исследовательская деятельность была полностью сосредоточены на двигателях внутреннего сгорания, в частности на анализе и диагностике процесса сгорания, на использовании альтернативных видов топлива, на контроле выбросов загрязняющих веществ в двигателях внутреннего сгорания и дизельных двигателях, на моделировании двигателей и на разработке стратегий управления двигателями для обычных а также для гибридных силовых агрегатов.Он был главным исследователем в нескольких исследовательских проектах с крупными производителями оригинального оборудования, такими как General Motors, FCA, Honda и Ferrari. Он опубликовал более 150 статей, основанных на своей исследовательской деятельности, большинство из которых в международных журналах. В 2015 году он был назначен научным сотрудником SAE (Общества автомобильных инженеров), став первым итальянцем из академических кругов, получившим статус научного сотрудника.

Название презентации: Водород как моторное топливо: возможности и проблемы

Синтия Уэбб — директор отдела нормативно-правового соответствия в техническом центре PACCAR, где она отвечает за нормативно-правовую базу OBD, соответствие серийным автомобилям, а также оценку будущих нормативных требований и передовых технологий.В течение двадцати девяти лет она работала в области систем управления выбросами для двигателей и двигателей, уделяя основное внимание исследованиям и разработкам передовых систем выбросов, включая контроль, калибровку, старение катализатора и диагностику для применения на шоссе. На протяжении своей карьеры она работала над обоснованием осуществимости и руководством новых правил выбросов, а также над разработкой стратегий и новых технологий для соответствия этим правилам. Она опубликовала 24 профессиональных публикации в этой области и получила 21 патентную награду.Кроме того, она также была финалистом премии НИОКР в 2015 году, получила награду SAE John Johnson за выдающиеся исследования в области дизельных двигателей в 2017 году и награду SAE Rodica Barnescu за техническое и лидерское превосходство в 2021 году.

Доктор Элана Чапман — признанный эксперт в области топливной науки. В настоящее время она является старшим инженером по топливу / биотопливу в General Motors (GM), она провела более 13 лет, поддерживая группы передовых разработок и производственного сжигания тестовыми топливами, а также выполняла другие проекты, связанные с топливом и характеристиками двигателя, чтобы соответствовать будущим стандартам выбросов и производительности транспортных средств. .Д-р Чапман является членом Исполнительного комитета GM и сопредседателем Координационного исследовательского совета — Комитета по передовым автомобильным топливам и смазочным материалам, а также членом Комитета по эффективности в дополнение к другим отраслевым консорциумам от имени GM. Она является председателем комитета SAE по топливу и смазочным материалам и является автором более 29 технических документов. Она получила степень бакалавра машиностроения в Дейтонском университете и степень магистра наук о топливе, магистра в области машиностроения, доктора наук в области топливных наук и сертификат передовых технологий накопления энергии в Университете штата Пенсильвания.

Название презентации: Изменяющийся энергетический ландшафт и будущее топлива

Как двигатель внутреннего сгорания становится лучше

По мере того, как одно место за другим предпринимаются шаги по запрету бензиновых транспортных средств в следующие несколько десятилетий — Норвегия, Нидерланды, Великобритания, Индия, Китай, Калифорния, Париж — становится все труднее и труднее. труднее отрицать, что будущее за электричеством. И двигатель внутреннего сгорания, который движет мировым движением на протяжении более столетия, скоро сделает последний глоток воздуха, который он так загрязнен.

Но электромобили еще далеко не готовы к такому поглощению. Пока Tesla изо всех сил пытается создать модель 3 для массового рынка, остальная часть автомобильной промышленности активно обсуждает натиск с батарейным питанием, но большинство из них не будет запускать модели в реальных количествах в течение многих лет. В США электромобили по-прежнему составляют менее 1 процента продаж новых автомобилей. Путь к 100% будет долгим, и двигатель без боя не уступит эту землю.

За 133 года, прошедшие с тех пор, как Карл Бенц установил четырехтактный двигатель на свой трехколесный автомобиль в 1885 году, инженеры по всему миру вели нескончаемую войну, чтобы выжать больше мощности из меньшего количества топлива.Силовая установка под капотом современного автомобиля имеет систему впрыска топлива, часто более одного турбокомпрессора, регулируемое управление клапанами, каталитические преобразователи и электронный мозг для наблюдения за всем этим.