8Дек

Двигатели внутреннего сгорания: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Содержание

Что такое ДВС в автомобиле, расшифровка кратко

Что такое ДВС в автомобиле, расшифровка кратко

 

По дорогам мира перемещаются миллионы автомобилей, автобусов и грузовиков. Такое развитие транспорта было бы невозможным без ДВС – главной движущей силы всех современных машин. Расшифровка аббревиатуры ДВС несложная – двигатель внутреннего сгорания.

Что такое ДВС в автомобиле, что в нем горит и почему внутри – поясняем кратко. Паровой котел – это двигатель внешнего сгорания: дрова, уголь или мазут горят, подогревая воду, которая превращается в пар, который толкает поршни. Получается длинный и неэффективный цикл. Принципиальное отличие ДВС в том, что топливо сгорает внутри цилиндров, передавая энергию непосредственно поршням и валу, эффективность преобразования существенно выше. Кроме этого ДВС занимают немного места, мало весят, экономичны, работают на разнообразных видах топлива.

 

Краткое содержание статьи

1. Типы ДВС;

2. Как устроен ДВС автомобиля;

3. Как работает ДВС, описание, анимация;

4. Ремонт ДВС, стоимость.

 

 

1. Типы ДВС, бензин и дизель

 

По принципу воспламенения топлива двигатели делятся на несколько типов: искровые и дизельные. В первых топливо воспламеняется от искры, в цилиндрах вторых дизель зажигается от сжатия топливной смести. Бензиновые моторы имеют меньший КПД, по этому дизельные моторы экономичнее. Дизельные моторы дороже в обслуживание и ремонте, так как сложнее в устройстве.

 

2. Как устроен ДВС автомобиля

 

Приведем на примере современного двигателя внутреннего сгорания, опишем как устроен ДВС автомобиля.

ДВС состоит из следующих модулей:

  • Система подачи топлива;
  • Головка блока цилиндров;
  • Блок цилиндров с поршневой группой;
  • Газораспределительный механизм;
  • Коленчатый вал.

 

3. Как работает ДВС, описание и анимация

 

Главный принцип работы ДВС – расширение объема газов в замкнутом пространстве цилиндра от тепла, возникающего в результате сгорания топлива.

Чтобы двигатель работал непрерывно, реализуется цикл, состоящий из:

  1. Поступления топливной смеси в цилиндр, Поджога и сгорания смеси;
  2. Рабочего хода поршня;
  3. Выпуска газов.

Импульс, полученный от сгоревшего топлива, толкает поршень, коленчатый вал поворачивается. Так энергия преобразуется в движение. Выше мы описали как работает ДВС, прикрепляем анимацию. 

 

4. Ремонт ДВС в автомобиле, стоимость

Из чего состоит, и что такое ДВС в автомобиле мы разобрались, теперь немного расскажем о ремонте ДВС. Так как ДВС является сложным инженерным устройство и состоит из множества систем, которые должны слаженно работать, выход из строя или обшивка одной системы двигателя ведет к неровной работе системы в целом или к полной остановке мотора — поломке. Например, вышла из строя форсунка распыления топливной смеси в одном цилиндре, следовательно, в одном цилиндре нет детонации и что происходит с мотором в целом?

Мотор или как его еще называют ДВС, теряет мощность, и, если мотор 4 цилиндровый будет работать с рывками и провалами. С большой вероятностью будет давать сильную вибрацию на кузов, из-за ассиметричного зажигания. На помощь приходит диагностика и ремонт ДВС, автомобиль подключают к компьютеру и считывают ошибки по работе мотора. По набору ошибок, мастера поймут в чем причина поломки и поменяют форсунку.

 

Стоимость ремонта ДВС в автомобиле варьируется от модификации самого мотора и вида неисправности. Бывает, такое, что сама машины дешевая, а ремонт мотора дорогой, из-за неудобного расположения различных узлов. Бывает наоборот. Лучше всего не запускать проблемы по ДВС до ремонта. Нужно вовремя вменять масло, фильтры. Ели появляется как-либо проблема, нужно сразу вытиснять в чем причина и решать вопрос, пока мелкая проблема не переросла в полномасштабный ремонт.

 

 

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

ВВЕДЕНИЕ

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.

История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Хотя и двигатель внутреннего сгорания – очень сложный механизм. И функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов.

Цель работы:
Рассмотреть двигатель внутреннего сгорания.

Задачи:
1. Изучить теорию двигателей внешнего и внутреннего сгорания.
2. Сконструировать модель на основе теории ДВС.

3. Рассмотреть влияние ДВС на окружающую среду.
4. Создать буклет на тему: “Двигатель внутреннего сгорания ”.

Гипотеза:
В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.

Актуальность:
Физика и физические законы являются неотъемлемой частью нашей жизни.
Техника, здания, различные процессы, протекающие в нашем мире – все это физика. Мы не можем жить и не знать, хотя бы элементарных законов этой науки. А, следовательно, физика – это актуальная, не стареющая наука.
Тема нашей работы поможет ученикам понять и усвоить на первый взгляд самые обычные процессы в окружающем нас мире, но сложные по своему устройству.


РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания

Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок. За последние годы заводами автомобильной промышленности освоены многие образцы модернизированной и новой автомобильной техники, в том числе для сельского хозяйства, строительства, торговли, нефтегазовой и лесной промышленности. В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т. д.

Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
1. Двигатели с внешним сгоранием.

2. Двигатели внутреннего сгорания.

Изучая тему урока “Двигатели внутреннего сгорания” в 8 классе мы заинтересовались этой темой. Мы живем в современном мире, в котором техника играет важную роль. Не только та техника, которую мы используем у себя дома, но и на которой ездим – автомобиль. Рассматривая машину, я убедился, что двигатели это необходимая часть автомобиля. Неважно будь это старая или новая машина. Поэтому мы решили затронуть тему двигателя внутреннего сгорания, который использовали и раньше и сейчас.

Для того, чтобы понять устройство ДВС, мы решили создать его сами и вот, что у нас получилось.

Изготовление ДВС

Материал: картон, клей, проволока, моторчик, шестерни, батарейка 9V.

Ход изготовления
1. Изготовили из картона коленвал (вырезали круг)
2. Изготовили шатун (сложили прямоугольный лист картона 15*8 пополам и ещё на 90градусов), на концах которого сделали отверстия
3. Из картона изготовили поршень, в котором сделали отверстия (под поршневые пальцы)

4. Поршневые пальцы сделали по размеру отверстия в поршне, свернув небольшой лист картона
5. С помощью поршневого пальца закрепили поршень на шатуне, а с помощью проволоки шатун прикрепили к коленвалу
6. По размеру поршня свернули цилиндр, а по размеру коленвала картер (Картер – коробочка под коленвал)
7. Собрали механизм вращения коленвала (с помощью шестерёнок и моторчика), так чтобы при больших оборотах моторчика вращающий механизм развивал меньшие обороты (чтобы он мог провернуть коленвал с шатуном и поршнем)
8. К коленвалу прикрепили вращающийся механизм и поместили его в картер (закрепив вр. механизм к стенке картера)
9. Поршень поместили в цилиндр и склеили цилиндр с картером.
10. Идущие два провода + и – от моторчика присоединяем к батарейке и наблюдаем движение поршня.

Вид модели снаружи

Вид модели внутри

Применение ДВС

Тепловое расширение нашло свое применение в различных современных технологиях. В частности можно сказать о применении теплового расширения газа в теплотехники. Так, например, это явление применяется в различных тепловых двигателях, т. е. в двигателях внутреннего и внешнего сгорания:
* Роторных двигателях;
* Реактивных двигателях;
* Турбореактивных двигателях;
* Газотурбинные установки;
* Двигателях Ванкеля;
* Двигателях Стирлинга;
* Ядерные силовые установки.

Тепловое расширение воды используется в паровых турбинах и т. д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются:
* Транспортные установки;
* Сельскохозяйственные машины.

В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются:
* На небольших электростанциях;
* Энергопоезда;
* Аварийные энергоустановки.

ДВС получили большое распространение также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т. п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок при бурении скважин на газовых и нефтяных промыслах.
Турбореактивные двигатели широко распространены в авиации. Паровые турбины – основной двигатель для привода электрогенераторов на ТЭС. Применяют паровые турбины также для привода центробежных воздуходувок, компрессоров и насосов.
Существуют даже паровые автомобили, но они не получили распространения из–за конструктивной сложности.
Тепловое расширение применяется также в различных тепловых реле, принцип действия, которых основан на линейном расширении трубки и стержня, изготовленных из материалов с различным температурным коэффициентом линейного расширения.

Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.
Во–первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во–вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.
В–третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2–3 тонны свинца.
Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых двигателей на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.

Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду

Один из способов уменьшения путей загрязнения окружающей среды связан с использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.
Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей. В Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2–3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2–3 раза.
Введение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырьё для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить упомянутые выше экологические проблемы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря нашей работе можно сделать следующие выводы:
Не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов. И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы – вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС – это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.
И пускай проходит эра двигателя внутреннего сгорания, пусть у них есть много недостатков, пусть появляются новые двигатели, не загрязняющие внутреннюю среду и не использующие функцию теплового расширения, но первые еще долго будут приносить пользу людям, и люди через многие сотни лет будут по доброму отзываться о них, ибо они вывели человечество на новый уровень развития, а пройдя его, человечество поднялось еще выше.

Литература

1. Хрестоматия по физике: А. С. Енохович – М.: Просвещение, 1999
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: – М., Высшая школа., 1989.
3. Кабардин О. Ф. Физика: Справочные материалы: Просвещение 1991.
4. Интернет–ресурсы.


Авторы работы:
Кайгородов Илья,
Филипчук Евгений,
ученики 10 класса

Руководители работы:
Шаврова Т. Г. учитель физики,
Бачурин Д. Н. учитель информатики.

Муниципальное общеобразовательное учреждение
“Первомайская средняя общеобразовательная школа №2”
Бийского района Алтайского края

Презентация работы: http://static.livescience.ru/dvigatel/presentation.pdf

Поршневой двигатель внутреннего сгорания: история создания

Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), использует один или несколько поршней, совершающих возвратно-поступательное движение, для преобразования давления во вращательное движение. На данный момент это самый распространенный тип двигателя, используемый в автомобилях. Да и не только в них. Поршневые моторы используются в авиации, судоходстве и промышленности.

Первый поршневой двигатель

Макет самоходной тележки и схема ДВС Исаака Де Риваза

К концу 18-го века в мире уже существовали паромобили. Экипажи с паровым двигателем конструировали в Англии и Франции. Однако эти машины были громоздкими и медлительными. Кроме того, создатель самых совершенных на тот момент паровых двигателей Джейм Уатт считал, что для создания быстрых паромобилей потребуется паровой двигатель с высоким давлением в котле, что попросту не безопасно.

Понимал это и французский инженер и по совместительству действующий артиллерийский офицер — Франсуа Исаак де Риваз. Хорошо знакомый с принципом работы пороховой пушки, он задумался, а почему бы для приведения в движение поршня, использовать энергию пороховых газов, а не пара. В 1804 году он построил первый экспериментальный стационарный двигатель. Он работал по следующему принципу: в цилиндр подавалась смесь водорода с воздухом и воспламенялась при помощи электрического разряда. Фактически Риваз создал первый поршневой двигатель внутреннего сгорания.

В 1807 году изобретатель собрал первый экипаж с мотором собственной конструкции. На четырехколесной базе находился однопоршневой ДВС, без механизма газораспределения, а подача топливной смеси контролировалась вручную. Такой вот примитивный автомобиль смог преодолеть лишь 100 метров. Через шесть лет Риваз собрал новый экипаж куда больших размеров. Он имел длину 6 м, диаметр колес 2 м и весил около тонны. На этот раз мотор работал на смеси из светильного газа и воздуха. Груженая камнями машина смогла преодолеть 26 метров со скоростью 3 км/ч. За один рабочий ход поршня, автомобиль передвигался на 4-6 метров. Конечно с такими характеристиками коммерческая эксплуатация такого ДВС была невозможна, но это было только начало.

Дальнейшее развитие

1) Двигатель Ленуара 1860 год 2) Двигатель Отто 1867 год

Несмотря на то, что в начале 19-го века паровые двигатели считались более перспективными, разработка поршневых ДВС не останавливалась. В 1860 году бельгийский инженер Этьен Ленуар создал первый двухтактный поршневой двигатель пригодный к серийному производству. Его новаторский мотор фактически повторял принцип работы паровой машины Уатта и некоторые его элементы конструкции, но работал на светильном газе. В зависимости от объема единственного цилиндра, двигатель Ленуара имел различную мощность от 2 до 20 л.с. Термический КПД восьмисильного мотора составлял всего 4,68%. Для сравнения современный ДВС имеет КПД 20-45%. Тем не менее мотор Ленуара был выгоден в коммерческой эксплуатации и работал на промышленных предприятиях, типографиях и судоходстве.

Столь малая эффективность двигателя была следствием несовершенства его конструкции. Однопоршневой мотор имел гигантский объем, поршень двойного действия, малоэффективный золотниковый механизм впуска/выпуска и при этом не имел цикла сжатия. Изучив двигатель Ленуара, в 1861 году немецкий инженер Николаус Отто построил его копию.

В 1863 году немец построил двухтактный поршневой двигатель собственной конструкции, КПД которого достиг 15%. Он имел единственный цилиндр, расположенный вертикально и работал на светильном газе. Первый собственный мотор Отто получил широкое признание публики и коммерческий успех.

Deutz AG

В 1864 году Николаус Отто и Ойген Ланге основали собственную фирму — N. A. Otto & Cie. Все началось маленького производственного цеха, где компаньоны собственноручно собирали первые двигатели. Позднее в компанию пришли такие небезызвестные для автомобильной индустрии люди как Вильгельм Майбах, Этторе Бугатти и Готлиб Даймлер. Последний с 1872 года занимал должность технического директора. В том же году компания меняет название на Gasmotoren-Fabrik Deutz AG.

В 1875 году случилось знаковое событие, которое навсегда перевернуло индустрию. Николаус Отто создал первый успешно работающий четырехтактный ДВС. В отличие от мотора Ленуара, новый двигатель работал намного эффективнее. Уже на первых порах его термический КПД превысил 15%. Кроме того он получился мощнее и экономичнее. Фактически новый мотор Отто послужил началом конца паровых машин.

Интересно посмотреть на характеристики этого двигателя. Одноцилиндровый мотор объемом в 6,1-литра развивал 3 л.с. при 180 об/мин. К примеру 18-литровый агрегат Ленуара развивал всего 2 л.с. Кроме того двигатель Отто был почти в 5 раз экономичнее. В результате новый, более эффективный мотор быстро вытеснил двигатель Ленуара с рынка.

Первый поршневой бензиновый двигатель

Мотоцикл Daimler Reitwagen, эскиз из патента 1885 года

Между тем, Николаус Отто видел свой мотор только в качестве стационарного. Но его соратник Готлиб Даймлер, активно агитировал шефа применить ДВС на транспорте. Отто был против, поэтому в 1880 году прихватив с собой Майбаха, Даймлер покинул Deutz AG.

Два инженера сосредоточились на единственной задаче — создать легкий, достаточно мощный поршневой двигатель, пригодный для установки на колесное шасси. Проблема состояла в том, что двигатель конструкции Отто работал на газе и требовал газогенератор. Даймлер и Майбах решили разработать мотор на жидкостном топливе, дабы избавиться от массивного преобразователя. Дело это было не простое, так как на тот момент еще не существовало способа создать оптимальную топливно-воздушную смесь на которой бы двигатель работал устойчиво. Решением проблемы стал испарительный карбюратор разработанный Майбахом в 1885 году. Карбюратор позволил построить бензиновый ДВС(Standuhr) объемом 100 см3 и мощностью 1 л.с., который работал достаточно устойчиво и стабильно. В том же году, немного уменьшенный Standuhr мощностью в 0,5 л.с. разместили на деревянном велосипеде получив тем самым первый в мире мотоцикл. А спустя год и автомобиль.

С тех пор поршневой двигатель внутреннего сгорания прошел долгий путь. Однако его четырехтактный принцип работы остался неизменен. Сегодня в мире насчитывается более 1,2 млрд. автомобилей и большинство из них оснащены ДВС.

Есть ли будущее у двигателя внутреннего сгорания без коленчатого вала со свободным поршнем?

Николай Макаренко

29 ноября 2020, 05:13

История совершенствования двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — длительный путь постоянного усложнения систем, обслуживающих термодинамические процессы в камере сгорания машины объѐмного вытеснения с кривошипно-шатунным механизмом.

Нетрадиционным направлением развития конструкций двигателей внутреннего сгорания, является разработка свободнопоршневых энергетических установок. Их особенности работы связаны с отсутствием кривошипно-шатунного механизма, преобразующего в традиционном двигателе возвратно-поступательное движение поршня в однонаправленное вращение выходного вала. Отсутствие ограничителя движения поршня (кривошипно-шатунного механизма) приводит к иному закону движения, что позволяет получить качественно новые его характеристики.

Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра – инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно или клапана. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

В традиционной силовой установке среди нагромождения этих систем практически не виден сам двигатель, структурная схема основного механизма которого осталась неизменной со времѐн Ленуара, Отто, Бенца и Даймлера.

 

Существует своеобразное «табу» на основной механизм ДВС при котором значительно изменяется конструкция различных систем: газообмена, впрыска топлива и т.д., но существенным образом не изменяется схема кривошипно-шатунного механизма. И это при том, что кривошипно-шатунный механизм имеет много принципиальных недостатков: он обеспечивает возможность реализации далеко не идеального термодинамического процесса при постоянно изменяющемся рабочем объѐме и не позволяет преобразовывать максимальную нагрузку на поршень в крутящий момент на валу при нулевом эффективном плече; быстротекущие процессы расширения-сжатия определяют политропный процесс преобразования тепловой энергии, существенно отличающийся от идеального; прижатие поршня к цилиндру существенно ограничивает работоспособность и ресурс двигателя, а механизм одноцилиндрового двигателя вовсе кинематически неработоспособен и необходимо применение лишней массивной детали — маховика.

 

Кроме того повышение частоты вращения и степени сжатия, как способ увеличения литровой мощности двигателя, приводит к снижению его термодинамического совершенства. Как следствие имеется объективная причина поиска принципиально новых механизмов двигателей силовых установок.

 

Оригинальная концепция двигателя внутреннего сгорания — простота.

Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 20-м годам прошедшего столетия. С 1930-х по 1960-е годы такие двигатели использовались в качестве воздушных компрессоров и газогенераторов, поскольку они обладали заметными преимуществами перед обычными двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами.

Свободнопоршневой двигатель аналогичен обычному поршневому двигателю внутреннего сгорания, но с заменой системы коленчатого вала линейным поршневым узлом, который может работать свободно и только в линейном перемещении.

 

КПД такого двигателя теоретически больше 70%. Он легок и прост в производстве, а, значит, дешев. Но, не смотря на то, что этот двигатель известен около ста лет, широкого распространения он не получил. Причин тому несколько, и самая главная из них состоит в том, что до последнего времени инженеры не знали, каким способом можно было бы снять мощность с поршня, движущегося взад-вперед внутри цилиндра с частотой 20 000 раз в минуту.

Основная особенность свободнопоршневого двигателя в том, что движение поршня определяется не механической связью кривошипно-шатунного механизма, а соотношением нагрузки к силе расширяющихся газов. Степень сжатия, таким образом, у него получается переменной. Как следствие, этот двигатель можно просто настроить на бензин, дизельное топливо, этанол, природный газ, водород и т. д.

 

 

   

 

Первостепенная проблема — как снять мощность с такого двигателя, который механически представляет собой замкнутую систему? Как подключиться к поршню, который перемещается с высокой частотой?

 

Эта задача долго оставалась нерешенной, хотя попытки производились регулярно. В частности об нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе свободнопоршневых двигателей в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.

 

Растущий интерес к исследованиям и разработкам, а также инвестиции в эту технологию привели к появлению большего числа конфигураций прототипов двигателя со свободным поршнем. В целом они могут быть различного типа: двухтактные с оппозитными поршнями, четырехтактные с оппозитными поршнями, двухтактные с одним поршнем и двухтактные с двумя поршнями, используя свечи зажигания или принцип дизельного двигателя и пр. Известны даже двигатели со свободным поршнем, работающим по принципу Стирлинга.

Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра – инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно или клапана. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

Свободнопоршневой двигатель можно считать наиболее простой конструкцией хорошо приспособленной к требованиям массового производства, исходя из основных требований — простота, минимум подвижных звеньев, высокий КПД.

 

   

 

Преимущества свободнопоршневого двигателя заманчивы:

  • организация и условия протекания рабочего процесса, которые обеспечивают высокие КПД и динамические показатели при отсутствии дымления (сажи) (преимущества свободного поршня в дизеле заключаются в оптимальном подводе тепла, отсутствии ограничений на жесткость и максимальное давление цикла, высокий механический КПД, незначительный (до 10%) провал коэффициента избытка воздуха при наборе нагрузки;
  • многотопливность, возможность применения низкосортных альтернативных топлив и газов произвольного состава, включая сбросные и тощие (содержание метана более 10 – 20 % без потери мощности) с воспламенением от сжатия;
  • динамическая уравновешенность, отсутствие вибраций;
  • низкие затраты при эксплуатации и ремонте;
  • высокие пусковые качества при низких температурах;
  • возможность отключения одного или нескольких секций без остановки остальных;
  • возможность повышения давления наддува и максимального давления сгорания;
  • простота, надежность и технологичность конструкции;
  • удобство компоновки в пространстве (возможен модульный принцип построения):
  • удельная массовая и габаритная мощность значительно выше дизелей.

Свободнопоршневой двигатель можно считать наиболее простым по конструкции и хорошо приспособленным к требованиям массового производства среди всех используемых ДВС.

Устроен двигатель просто. По сути, это цилиндр с глухими концами, внутри которого скользит поршень. На каждом конце цилиндра – инжектор для впрыска топлива, впускное и выпускное окно или клапана. В зависимости от типа топлива к ним могут быть добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Поршень в таком двигателе движется линейно, возвратно-поступательно, между двумя камерами сгорания.

Свободнопоршневой двигатель. Источник: DLR

 

   

 

Однако не все так просто. Перед учеными стоят две важнейшие проблемы свободнопоршневого двигателя: отбор полученной мощности и управление капризным поршнем. Не так то просто снять механически мощность с двигателя, представляющего собой замкнутую систему, и контролировать работу установки при частоте до 20 000 циклов в минуту. Кроме того, верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленчатым валом. В свободнопоршневом же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в один из торцов цилиндра.

 

Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о его термодинамике и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для свободнопоршневого двигателя удастся разработать простую и дешевую систему управления».

 

Но наука и техника развиваются настолько стремительно, что проблемы, реализация которых была невозможна вчера, сегодня вполне реализуемые за счет новых материалов, технологий, микропроцессорной техники и интеллектуальных систем управления.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

ДВС или электричество. Какие двигатели будут работать в машинах будущего? | Об автомобилях | Авто

Многие страны Европы и мира декларируют постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Так, премьер-министр Дании Ларс Лекке Расмуссен в октябре 2018 года заявил, что к 2030 году в стране планируется ввести ограничения на продажу новых автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями. А уже к 2050 году Дания собирается полностью вывести транспорт с ДВС из эксплуатации. Франция, Швеция, Норвегия придерживаются тех же позиций и рассматривают вопрос о поэтапном отказе от привычных сейчас моторов к 2040 году. В Великобритании вообще запланирован отказ от ДВС к 2032 году. На фоне этих громких заявлений прагматики ставят вопрос: а на чем будет ездить человечество? Несмотря на многие преимущества электромотора, пока нет ни одной компании, которая бы получала прибыль от производства электрокаров. Слишком короткие пробеги на одной зарядке, чувствительность к низким температурам и высокая зависимость от сложной инфраструктуры ставят под вопрос их массовую эксплуатацию. Гибридные установки с функцией подзарядки, конечно, могут эксплуатироваться более широко и заменить машины с ДВС, но у владельцев таких транспортных средств рано или поздно встает вопрос: а зачем переплачивать за дополнительный электромотор, если он используется лишь в 5% от времени поездки? На этом фоне очень обнадеживающе звучит признание технического директора Volkswagen AG Маттиаса Рабе: что хоронить ДВС пока рано. Потенциал их усовершенствования еще не исчерпан.

Недостаточное сгорание топлива

Главной причиной, по которой крупные автоконцерны переходят к гибридным установкам, являются экологические требования по выбросам диоксида углерода (CO2). Еще в 2018 году должен был вступить в силу стандарт, по которому все выпускаемые автомобили не должны в среднем превышать значения выбросов в 95 гр/км. Пока технологический уровень не позволил достигнуть приемлемых результатов, и новый стандарт отложен до 2021 года с перспективой продления моратория до 2025 года. А к 2030 году средние показатели выбросов СО2 должны снизиться до 66 гр. Достигнуть заявленного значения можно только при периодическом выключении мотора и использовании электродвигателя.

Однако дополнительный мотор — это всегда увеличение веса и снижение динамических характеристик. Кроме того, согласно анализу эксплуатации гибридных машин, их владельцы редко ездят на электричестве. Почти всегда бензиновый мотор находится в работе, а электрический двигатель необходим лишь для сертификации, чтобы на стендах помогать машинам показывать заявленные в экологических стандартах показатели.

По словам Маттиаса Рабе, сейчас есть возможность обеспечить требования по выбросам CO2 и без довеска в виде дополнительного электродвигателя. Правда, для этого потребуется существенно переработать конструкцию двигателя внутреннего сгорания и разработать новые сорта синтетического топлива. Что это за технологии?

Авиационные технологии

Вредные выбросы появляются в выхлопе в результате неполного сгорания топлива. Сейчас в современных моторах смесь сгорает только на 75%, а ее остатки выбрасываются в систему выпуска и догорают в катализаторе, в результате чего пары газа проходят через сложные преобразования. Чтобы сократить количество вредных веществ, необходимо обеспечить качественное сгорание смеси с увеличением КПД мотора.

Такая технология у немцев уже есть. Называется она Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC), то есть «встречные поршни, встречные цилиндры». Взята она из недавнего прошлого авиации. К примеру, в немецких «Юнкерсах» применялись двигатели со встречными поршнями, которые обеспечивали лучшее заполнение камер сгорания и газоотвод, чем у обычных четырехтактных моторов.

В итоге сгорание топлива улучшается. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, а в моторе с технологией OPOC — турбонаддув. Для лучшей работы на низких оборотах разогнать турбину помогает внешний электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

При этом мотор OPOC состоит из модулей, из которых можно собирать многоцилиндровые агрегаты, комбинируя блоки и соединяя их электромагнитными муфтами. Для экономии топлива один или несколько модулей можно отключать.

Синтетическое топливо

Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.

Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы. Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.

В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.

Поршни двигателя внутреннего сгорания — x-engineer.org

Поршень является составной частью двигателя внутреннего сгорания. Основная функция поршня — преобразовывать давление, создаваемое горящей топливовоздушной смесью, в силу, действующую на коленчатый вал. Легковые автомобили имеют поршни из алюминиевого сплава, а грузовые автомобили также могут иметь поршни из стали и чугуна.

Поршень является частью кривошипного механизма (также называемого кривошипно-шатунным механизмом ), который состоит из следующих компонентов:

  • поршень
  • поршневые кольца
  • шатун
  • коленчатый вал

Изображение: Привод коленчатого вала двигателя (кривошипно-шатунный механизм) Авторы и права: Rheinmetall

Поршень также выполняет второстепенные функции двигателя :

  • способствует отводу тепла , образующемуся при сгорании
  • обеспечивает герметичность камеры сгорания , предотвращает утечки газа из нее и проникновение масла в камеру сгорания
  • направляет движение шатуна
  • обеспечивает непрерывную смену газов в камере сгорания
  • создает переменного объема в камере сгорания

Изображение: поршни Kolbenschmidt
Кредит: Kolbenschmidt

Форма поршня в основном зависит от типа двигателя внутреннего сгорания.Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей обычно легче и короче по сравнению с поршнями дизельных двигателей. Геометрия поршня имеет множество тонкостей из-за сложности его рабочей среды, но основными частями поршня являются:

  • поршень головка , также называемая верхняя часть или головка : верхняя часть поршня который контактирует с давлением газа в камере сгорания
  • кольцевой ремень : верхняя средняя часть поршня, когда поршневые кольца расположены
  • выступ штифта : нижняя средняя часть поршня который содержит поршневой палец
  • юбка поршня : область под кольцевым ремнем

Изображение: оси поршневого пальца и юбки

Изображение: Основные детали поршня
Кредит: [3]

где:

  1. верхняя часть поршня
  2. верхняя площадка
  3. кольцевой ремень
  4. распорки управления
  5. фиксатор штифта
  6. выступ штифта
  7. pis тонный палец
  8. поршневые кольца
  9. юбка поршня

Поршень соединен с шатуном через поршневой палец (7).Штифт позволяет поршню вращаться вокруг оси штифта. Штифт удерживается в поршне с помощью фиксатора пальца (5).

После днища поршня доходит до кольцевого ремня (также называемого кольцевой зоной) (3). Большинство поршней имеют три кольцевые канавки, в которые устанавливаются поршневые кольца. Верхнее кольцо называется компрессионным кольцом , среднее — скребковым кольцом , а нижнее — кольцом контроля масла . Компрессионное кольцо должно герметизировать камеру сгорания, чтобы предотвратить утечку внутренних газов в блок двигателя.Маслоуправляющее кольцо соскребает масло со стенок цилиндра, когда поршень находится на рабочем или выпускном такте. Среднее кольцо одновременно обеспечивает сжатие в цилиндре и удаляет излишки масла со стенок цилиндра.

Юбка поршня (8) обеспечивает балансировку поршня внутри цилиндра. Обычно он покрывается материалом с низким коэффициентом трения, чтобы уменьшить потери на трение. В отверстии для пальца или втулки (6) поршня находится поршневой палец (7), который соединяет поршень с шатуном.

Геометрические характеристики поршня

Поршни должны правильно работать в широком диапазоне температур, от -30 ° C до 300-400 ° C. В то же время он должен быть достаточно легким, чтобы иметь низкую инерцию и обеспечивать высокие обороты двигателя. Ниже представлена ​​пара геометрических характеристик поршня.

Овальность поршня

Вследствие процесса сгорания температура внутри цилиндров двигателя достигает сотен градусов Цельсия.Поршень является одним из основных компонентов, который поглощает часть выделяемого тепла и отводит его в моторное масло. Поскольку ось поршневого пальца содержит больше материала, чем ось юбки, тепловое расширение вдоль оси пальца немного выше, чем тепловое расширение вдоль оси юбки. По этой причине поршень имеет овальную форму, диаметр по оси пальца на 0,3-0,8% меньше диаметра по оси юбки [6].

Изображение: Овальность поршня

Коническая форма поршня

Форма поршня не идеальна для цилиндра.При низкой температуре зазор между поршнем и цилиндром двигателя больше по сравнению с высокими температурами. Кроме того, зазор не является постоянным по длине поршня, он меньше вокруг верхней части поршня по сравнению с областью юбки поршня. Это необходимо для большего теплового расширения головки поршня, поскольку она содержит больший объем металла.

Изображение: Зазор поршня (коническая форма)

Изображение: Тепловое расширение поршня (если цилиндрическая форма)

Смещение поршневого пальца

Движение поршня внутри цилиндра имеет 3 градуса свободы, 1 первичный и 2 вторичных:

  • по вертикальной оси цилиндра, между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ) (первичная, ось Y)
  • вокруг Ось пальца (вторичная, α — угол)
  • вдоль оси юбки (вторичная, ось x)

Первичное движение создает крутящий момент на коленчатом валу, это желательно с механической точки зрения.Вторичные движения происходят из-за комбинации нескольких факторов: двунаправленного движения шатуна и зазора между поршнем и цилиндром. Оба вторичных движения вызывают трение о стенки цилиндра, а также шум, вибрацию (удар поршня).

Изображение: Осевое усилие поршня и смещение пальца

Когда коленчатый вал вращается по часовой стрелке, левая сторона цилиндра называется осевой стороной (TS) , а противоположная сторона — противодействующей стороной (ATS). .Удары поршня могут происходить с любой стороны цилиндра. Удар поршня возбуждает блок цилиндров и проявляется в виде поверхностных колебаний, которые в конечном итоге излучаются в виде шума вблизи двигателя [9]. Еще одно неудобство заключается в том, что когда поршень движется через ВМТ и ВТК, на коленчатый вал создается повышенная нагрузка, поскольку поршень совмещен с центром вращения коленчатого вала.

Смещение поршневого пальца — это несоосность между центром отверстия поршневого пальца и центром коленчатого вала.За счет этого в конструкции улучшаются шумовые характеристики двигателя из-за ударов поршня в ВМТ. Это основная проблема NVH (шумовая вибрация и резкость) для инженеров-технологов, которые хотят устранить тревожные шумы везде, где они могут. Вторая причина — повышение мощности двигателя за счет уменьшения внутреннего трения в TS и ATS.

Смещение пальца снижает механическое напряжение, возникающее в соединительной штанге, когда она достигает ВМТ или НМТ, потому что шатун не должен хлопать поршнем в противоположном направлении в конце хода.Это смещение заставляет шток перемещаться по дуге в ВМТ и НМТ.

Механические нагрузки на поршень

Поршень является элементом двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (ДВС) , который должен выдерживать наибольшие механические и термические нагрузки. Из-за поршня мощность ДВС ограничена. В случае очень высокой термической или механической нагрузки поршень выходит из строя первым (по сравнению с блоком цилиндров, клапанами, головкой блока цилиндров). Это связано с тем, что поршень должен быть компромиссом между массой и устойчивостью к механическим и термическим нагрузкам.

Циклическое нагружение поршня из-за [6]:

  • сила газа от давления в цилиндре
  • сила инерции от колебательного движения поршня и
  • поперечная сила от опоры силы газа наклонным шатуном, а сила инерции колеблющегося шатуна

определяет механическую нагрузку .

Вертикальные силы, действующие на поршень, состоят из: сил давления, , создаваемых расширяющимися газами, и сил инерции, , создаваемых собственной массой поршня [10].

\ [F_ {p} = F_ {gas} + F_ {ineria} \]

Силы инерции намного меньше сил давления и имеют наибольшую интенсивность, когда поршень меняет направление, в ВМТ и НМТ.

Изображение: Напряжение поршня по Мизесу и механическая деформация
Кредит: [7]

Изображение: Вертикальные силы поршня зависят от угла поворота коленчатого вала
Кредит: [7]

Указанные выше силы поршня рассчитываются с использованием передовых методов анализа методом конечных элементов для алюминиевого поршня, используемого в легковых автомобилях с дизельным двигателем [7].

Процесс сгорания имеет разные характеристики для дизельного и бензинового ДВС. В дизельном двигателе пиковое давление газа при сгорании может достигать 150 — 160 бар. В бензиновом двигателе максимальное давление ниже 100 бар. Из-за более высокого давления поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие механические нагрузки.

Чтобы работать без сбоев в таких суровых условиях, поршни дизельных двигателей конструируются более тяжелыми, прочными и имеют большую массу.Недостатком является более высокая инерция, более высокие динамические силы, поэтому максимальная скорость двигателя ниже. Одна из причин, по которой дизельные двигатели имеют более низкую максимальную скорость (примерно 4500 об / мин) по сравнению с бензиновыми двигателями (примерно 6500 об / мин), — это более тяжелые механические компоненты (поршни, шатуны, коленчатый вал и т. Д.).

Термические нагрузки на поршень

Головка поршня находится в прямом контакте с горящими газами внутри камеры сгорания, поэтому подвергается высоким термическим и механическим нагрузкам .В зависимости от типа двигателя (дизельный или бензиновый) и типа впрыска топлива (прямой или непрямой) головка поршня может быть плоской или содержать чашу .

Тепловая нагрузка от температуры газа в процессе сгорания также является циклической нагрузкой на поршень. Он действует в основном во время такта расширения на стороне камеры сгорания поршня. В других тактах, в зависимости от принципа действия, тепловая нагрузка на поршень снижается, прерывается или даже оказывает охлаждающий эффект во время газообмена.Как правило, передача тепла от горячих дымовых газов к поршню происходит в основном за счет конвекции, и лишь небольшая часть является результатом излучения.

Изображение: Рабочие температуры поршня
Кредиты: [3]

Тепло, выделяемое при сгорании, частично поглощается поршнем. Большая часть тепла передается через площадь кольца поршня (около 70%). Юбка поршня отводит 25% тепла, а остальное передается дальше на поршневой палец, шатун и масло.Более высокая частота вращения двигателя означает более высокую температуру поршня . Это происходит потому, что накопленное тепло не успевает рассеяться между двумя последовательными циклами сгорания. В то же время более высокая нагрузка на двигатель означает более высокую температуру поршня, потому что при этом сгорает больше воздушно-топливной смеси, которая выделяет больше тепла.

Изображение: Распределение температуры в поршне бензинового двигателя
Кредит: [6]

Изображение: Распределение температуры в поршне дизельного двигателя с каналом охлаждения
Кредит: [6]

Изображение: Тепловая нагрузка поршня
Кредит: [7]

Что касается хода расширения, продолжительность действия тепловой нагрузки от сгорания очень мала.Следовательно, только очень небольшая часть составляющей массы поршня, вблизи поверхности на стороне сгорания, следует за циклическими колебаниями температуры. Таким образом, почти вся масса поршня достигает квазистатической температуры, которая, однако, может иметь значительные локальные изменения.

Охлаждение поршня

По мере увеличения удельной мощности в современных двигателях внутреннего сгорания поршни подвергаются возрастающим тепловым нагрузкам. Поэтому эффективное охлаждение поршня требуется чаще для обеспечения безопасности эксплуатации.

Изображение: 2009 Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) Головка поршня и масляная форсунка
Кредит: GM

Температуру поршня можно снизить за счет циркуляции масла в средней части поршня. Это может быть достигнуто с помощью маслоструйных устройств, установленных на блоке двигателя, которые впрыскивают моторное масло через отверстие, когда поршень находится близко к нижней мертвой точке (НМТ).

Компания Tenneco Powertrain разработала новый стальной поршень для дизельных двигателей с «герметичной на весь срок службы» охлаждающей камерой в головке, что позволяет поршням безопасно работать при температурах в головке головки более чем на 100 ° C выше действующих ограничений.

Изображение: технология охлаждения поршня EnviroKool
Кредит: Tenneco

Для формирования коронки EnviroKool внутри поршня с помощью сварки трением создается встроенный охлаждающий канал, который затем заполняется высокотемпературным маслом и инертным газом. Эта камера постоянно закрыта приварной заглушкой. Согласно Tenneco Powertrain, технология EnviroKool позволяет преодолеть температурные ограничения обычных открытых галерей, в которых в качестве теплоносителя используется смазочное масло.

Типы поршней

Геометрия поршня ограничена из-за кубатуры ДВС. Поэтому основной способ увеличения механического и термического сопротивления поршня — увеличение его массы. Это не рекомендуется, потому что поршень с большой массой имеет большую инерцию, которая преобразуется в высокие динамические силы, особенно при высоких оборотах двигателя. Сопротивление поршня можно улучшить за счет оптимизации геометрии, но всегда будет компромисс между массой, механическим и термическим сопротивлением.

На первый взгляд поршень кажется простым компонентом, но его геометрия довольно сложна:

Изображение: Техническое описание дизельного поршня
Кредит: Kolbenschmidt

Изображение: Техническое описание бензинового поршня
Кредит: Kolbenschmidt

Обозначения:

  1. Диаметр чаши
  2. днище поршня
  3. камера сгорания (чаша)
  4. кромка днища поршня
  5. верхняя площадка поршня
  6. канавка компрессионного кольца
  7. посадочная площадка кольца
  8. основание канавки
  9. встраиваемое кольцо земля
  10. паза сторона
  11. маслосъемных кольцевой паз
  12. возврата
  13. масла отверстие
  14. поршневого палец босс
  15. удержания для паза на расстоянии
  16. паза для стопорного кольца
  17. поршня босса расстояние
  18. поршня босс расстояния
  19. активизировал край
  20. Диаметр поршня 90 ° C относительно отверстия 90 под поршневой палец 014
  21. отверстие поршневого пальца
  22. глубина чаши
  23. юбка
  24. зона кольца
  25. высота сжатия поршня
  26. длина поршня
  27. канал маслоохладителя
  28. держатель кольца
  29. втулка болта
  30. окно измерения диаметра
  31. развал коронки

Как видите, между дизельными и бензиновыми поршнями есть существенные различия.

Поршни дизельного двигателя должны выдерживать более высокие давления и температуры, поэтому они больше, крупнее и тяжелее. Они могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов, стали или их комбинации. Поршень дизеля содержит часть камеры сгорания в головке поршня. Из-за формы поперечного сечения головки поршня поршень дизельного двигателя также называют поршнем с головкой омега.

Поршни бензиновых (бензиновых) двигателей легче и предназначены для более высоких оборотов двигателя.Они изготавливаются из алюминиевых сплавов и обычно имеют плоскую головку. Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (DI) имеют специальные головки, чтобы направлять поток топлива качающимся движением.

Ниже вы можете увидеть несколько изображений дизельных и бензиновых (бензиновых) двигателей в высоком разрешении.

Изображение: Поршень LS9 6.2L V-8 SC (алюминий, бензин / бензиновый двигатель с непрямым впрыском)
Кредит: GM

Изображение: Поршень Ecotec 2.0L I-4 VVT DI Turbo (LNF) (алюминий, бензиновый / бензиновый двигатель с прямым впрыском)
Кредит: GM

Изображение: Поршень дизельного двигателя автомобиля с кольцами (алюминий, дизель)
Кредит: Kolbenschmidt

Изображение: Поршень из моностали (сталь, дизель) )
Кредит: Tenneco

Материалы поршней

Большинство поршней для автомобильной промышленности изготавливаются из алюминиевых сплавов .Это потому, что алюминий легкий, обладает достаточной механической прочностью и хорошей теплопроводностью. Есть тяжелые применения, коммерческие автомобили, в которых используются поршни из стали , которые более устойчивы к более высоким давлениям и температурам в камере сгорания.

Алюминиевые поршни изготавливаются из литых или кованых жаропрочных алюминиево-кремниевых сплавов. Есть три основных типа алюминиевых поршневых сплавов. Стандартный поршневой сплав представляет собой эвтектический сплав Al-12% Si, содержащий дополнительно ок.По 1% каждого из Cu, Ni и Mg [3].

Основными алюминиевыми сплавами для поршней являются [3]:

  • эвтектический сплав (AlSi12CuMgNi): литой или кованый
  • заэвтектический сплав (AlSi18CuMgNi): литой или кованый
  • специальный эвтектический сплав (AlSi12Cu4Ni только
  • , потому что
  • cast2Mg) алюминиевый сплав имеет более низкую прочность, чем чугун, поэтому необходимо использовать более толстые секции, поэтому не все преимущества легкого веса этого материала реализуются. Кроме того, из-за более высокого коэффициента теплового расширения алюминиевые поршни должны иметь больший рабочий зазор.С другой стороны, теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у железа. Это, вместе с большей толщиной используемых секций, позволяет алюминиевым поршням работать при температурах примерно на 200 ° C ниже, чем чугунные [8].

    В некоторых случаях прочность и износостойкость поршней из алюминиевого сплава недостаточны для удовлетворения требований по нагрузке, поэтому используются черные материалы (например, чугун, сталь). Существует несколько методов использования черных металлов в производстве поршней:

    • в качестве местного армирования, вставок из черных металлов (т.е.g., опоры колец)
    • в виде удлиненных частей композитных поршней (например, днища поршня, болтов)
    • поршней, полностью изготовленных из чугуна или кованой стали

    Изображение: композитный поршень для тяжелого двигателя — поперечное сечение
    Кредит: [8]

    Изображение: Поршень композитной конструкции для судовых дизельных двигателей
    Кредит: Warstila

    В поршнях и поршнях используются два типа черных металлов компоненты [6]:

    • чугун :
      • аустенитный чугун для держателей колец
      • чугун с шаровидным графитом для поршней и юбок поршней
    • сталь
      • хромомолибденовый сплав (42CrMo4)
      • хромомолибден-никелевый сплав (34CrNiMo6)
      • молибден-ванадиевый сплав (38MnVS6)

    чугун обычно имеют содержание углерода> 2%.Поршни в высоконагруженных дизельных двигателях и другие высоконагруженные компоненты двигателей и конструкции машин преимущественно изготавливаются из сферолитического чугуна M-S70. Этот материал используется, например, для изготовления цельных поршней и юбок поршней в композитных поршнях [6].

    Сплавы железа, обозначенные как стали, обычно имеют содержание углерода менее 2%. При нагревании они полностью превращаются в ковкий (пригодный для ковки) аустенит. Поэтому сплавы железа отлично подходят для горячей штамповки, такой как прокатка или ковка.

    Поршневые технологии

    Существует несколько передовых поршневых технологий, каждая из которых имеет целью увеличить механическое и / или термическое сопротивление, снизить коэффициент трения или общую массу (сохраняя в то же время механические и термические свойства).

    Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых на заводе Kolbenschmidt , каждый с уникальными технологиями.

    Изображение: Поршень дизеля с охлаждающим каналом, втулкой болта и держателем кольца
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Шарнирно-сочлененный поршень дизеля с кованой верхней стальной частью и алюминиевой юбкой
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Поршень бензинового двигателя в оптимизированной по весу конструкции LiteKS® с держателем кольца
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Литые держатели колец из чугуна многократно увеличивают долговечность первой кольцевой канавки дизельных поршней.Kolbenschmidt является лидером в разработке соединения Alfin с держателем кольца
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Канавки под кольцо с твердым анодированием предотвращают износ и микросварку в поршнях для бензиновых двигателей
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Поршни KS Kolbenschmidt имеют специальное покрытие LofriKS®, NanofriKS® или графит на юбке поршня. Они уменьшают трение внутри двигателя и обеспечивают хорошие характеристики при аварийной работе. Покрытия LofriKS® также используются по акустическим причинам.Их использование сводит к минимуму шум поршня. NanofriKS® является дальнейшим развитием испытанного и испытанного покрытия LofriKS® и дополнительно содержит наночастицы оксида титана для повышения износостойкости и долговечности покрытия.
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Юбки поршней с железным покрытием (Ferrocoat ®) гарантируют надежную работу при использовании в алюминиево-кремниевых поверхностях цилиндров (Alusil®).
    Кредит: Kolbenschmidt

    Изображение: Отверстия поршневого пальца специальной формы (Hi-SpeKS®) повышают динамическую нагрузочную способность станины поршневого пальца, тем самым увеличивая долговечность поршня
    Кредит: Kolbenschmidt

    Ниже вы можете найти примеры современных поршней, производимых компанией Tenneco Powertrain (ранее Federal Mogul) , каждый из которых основан на уникальных технологиях.

    Изображение: Поршень Elastothermic® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств)

    Характеристики: поршень с охлаждающим каналом
    улучшает мощность и расход топлива бензиновых двигателей уменьшенных размеров
    — канал эластотермического охлаждения снижает температуру днища поршня на около 30 ° C.
    — снижение температуры первой кольцевой канавки примерно на 50 ° C, что приводит к уменьшению отложений нагара и износа канавок и колец для длительного срока службы; низкий расход масла и удар на
    ; зажигание

    Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: Алюминиевые поршни дизельного двигателя

    Характеристики:
    — оптимизированное расположение каналов для максимального охлаждения может привести к снижению температуры обода барабана до 10%
    — улучшенный боковой заброс методы значительно улучшают структурную устойчивость (даже при тонкостенных конструкциях)
    — изменение конструкции обода камеры сгорания и дно стакана могут увеличить усталостный ресурс до 100%.

    Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: поршни для дизельных двигателей из моностали (стальные поршни для дизельных автомобилей большой грузоподъемности или промышленного применения)

    Поршень Monosteel® обеспечивает прочность и охлаждающую способность, чтобы удовлетворить самые жесткие требования к двигателям на рынках тяжелых и промышленных двигателей, включая новое поколение давлений срабатывания двигателя, необходимых для дорожных правил Евро VI и выше.

    Прочная конструкция, состоящая из сварных с помощью инерционной сварки кованых стальных секций, образующих большие охлаждающие галереи, позволяет поршням Monosteel выдерживать возрастающие механические нагрузки. Эволюция Monosteel включает последние разработки для промышленных двигателей большого диаметра, а также использование тонкостенных легких поковок и отливок для дизельных двигателей легковых автомобилей.

    Основные характеристики продукта:
    — большая закрытая структурная галерея с превосходным охлаждением обода чаши и кольцевой канавки, уменьшающим деформацию канавки и улучшающим контроль масла и газового уплотнения
    — профилированное отверстие под палец без втулки
    — юбка по всей длине для стабильного поршня динамика, снижение риска кавитации гильзы и улучшение уплотнения кольца.
    — процесс обеспечивает гибкость материала с возможностью выбора материала коронки для уменьшения коррозии или окисления и / или выбора материала юбки для повышения технологичности.

    Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: Поршни с покрытием EcoTough® (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких или тяжелых автомобилей)

    Поршень с покрытием EcoTough® обеспечивает важные преимущества, которые помогают удовлетворить потребности клиентов в более эффективные конструкции двигателей, в том числе сниженный расход топлива и выбросы CO 2 . Он сочетает в себе низкий износ и низкое трение в одном применении и снижает расход топлива на 0,8% по сравнению с обычным покрытием поршня.

    Ключевые преимущества:
    — совместима с существующей и усовершенствованной отделкой внутренних отверстий цилиндров и может быть беспрепятственно внедрена в серийное производство двигателей в качестве рабочих изменений
    — состав обеспечивает большую толщину, чем поршни с обычным покрытием, обеспечивая дополнительную защиту
    — соответствует строгим экологическим стандартам ; не содержит токсичных растворителей.
    — запатентованное усовершенствованное покрытие юбки поршня с твердыми смазочными материалами и армированием углеродными волокнами, специально разработанное для тяжелых условий работы с бензином.
    — Снижение трения в силовом цилиндре (поршень + кольца) на 10% по сравнению сстандартные покрытия, повышение экономии топлива до 0,4% / сокращение выбросов CO 2 в европейских испытаниях ездового цикла
    — снижение износа на 40% по сравнению со стандартными бензиновыми покрытиями, повышенная надежность современных бензиновых двигателей с наддувом DI
    — EcoTough® — это запатентованное покрытие FM

    Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: Поршень DuraBowl® (алюминиевый поршень для дизельных легких или тяжелых автомобилей)

    Усиление поршня DuraBowl® Особенности частичного переплавления кромки чаши :
    — чрезвычайное улучшение структуры алюминиевого материала, созданное локализованным переплавом с использованием технологии TIG.
    — повышение долговечности двигателей с высокой удельной мощностью до 4 раз по сравнению с поршнями без переплавки барабана.Допускает форму камеры сгорания, подвергающуюся высоким нагрузкам.
    — Технология FM DuraBowl® расширяет пределы алюминиевых поршней в самых сложных условиях за счет увеличения усталостной прочности (циклов) поршня

    Авторы и права: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Изображение: Elastoval II сверхлегкие поршни (алюминиевый поршень для бензиновых / бензиновых легких транспортных средств)

    Технология бензиновых поршней Avanced Elastoval® II основана на:
    — глубоких карманах под короной
    — наклонных боковых панелях
    — облегченной конструкции опоры пальца
    — тонких стенках 2.5 мм
    — оптимизированная площадь юбки и гибкость
    — Высокоэффективный сплав FM S2N

    Особенности и преимущества:
    — снижение веса на 15% по сравнению с бензиновыми поршнями предыдущего поколения
    — обеспечивает удельную мощность до 100 кВт / л
    — оптимизировано характеристики шума и трения
    Совместимость с опцией держателя кольца alfin для увеличения пикового давления в цилиндре и устойчивости к детонации

    Кредит: Tenneco Powertrain (Federal Mogul)

    Часто задаваемые вопросы о поршнях

    Для чего используются поршни?

    Поршни используются в двигателях внутреннего сгорания для передачи усилия на шатун и коленчатый вал, создавая крутящий момент двигателя.Поршни преобразуют давление газа из камеры сгорания в механическую силу.

    Что такое поршень и как он работает?

    Поршень — это компонент двигателя внутреннего сгорания, сделанный из алюминия или стали, используемый для преобразования давления газа из камеры сгорания в механическую силу, передаваемую на шатун и коленчатый вал.

    Из чего сделан поршень?

    Поршень может быть изготовлен из цветных металлов, алюминия (Al) или черных металлов, например, чугун или сталь .

    Какие бывают два типа поршневых колец?

    Два типа поршневых колец: компрессионные кольца и масляные кольца.

    Какие два основных типа поршневых двигателей?

    Двумя основными типами поршневых двигателей являются: дизельный двигатель поршневой и бензиновый (бензиновый) двигатель поршневой. Функция материала, два основных типа поршня: алюминиевый поршень и стальной поршень .

    Каков срок службы поршней?

    Поршень должен служить в течение всего срока службы транспортного средства, если условия эксплуатации являются номинальными (нормальная смазка, регулярное обслуживание двигателя, отсутствие чрезмерной нагрузки, отсутствие чрезмерной температуры). В нормальных условиях эксплуатации поршень должен прослужить не менее 300000 км до 500000 км и более.

    Что вызывает отверстия в поршнях?

    Обычно аномально высокие температуры вызывают плавление поршней, или детонация двигателя может вызвать трещины в поршнях.Неисправные форсунки могут подавать чрезмерное количество топлива в цилиндры, что может вызвать аномально высокую температуру сгорания и частично оплавить поршни.

    Как узнать, повреждены ли поршни?

    Если поршень поврежден, наиболее вероятными симптомами являются: потеря мощности из-за потери компрессии, чрезмерный дым в выхлопе или необычный шум двигателя.

    Можно ли починить сломанный поршень?

    Сломанный поршень не подлежит ремонту, его необходимо заменить.Поршни имеют очень жесткие геометрические допуски, которые, скорее всего, не будут соблюдены после ремонта. Кроме того, их механические и термические свойства будут изменены после ремонта, что приведет к дальнейшим повреждениям. Сломанный поршень может вызвать серьезные повреждения блока цилиндров, шатуна, клапанов и т. Д. И должен быть немедленно заменен.

    Можно ли водить машину с неисправным поршнем?

    Вы можете ездить с плохим поршнем, но это не рекомендуется. Повреждение поршня может привести к значительному выходу из строя блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, клапанов и т. Д.Если не заменить поврежденный поршень, это может привести к полному отказу двигателя.

    Повредит ли мой двигатель удар поршня?

    Удар поршня повредит двигатель, оставьте без присмотра. Удар поршня в течение длительного времени приведет к повреждению гильзы цилиндра и самого поршня.

    Уходит ли поршень при нагревании?

    Поршень частично уходит, когда двигатель прогрет. Удар поршня возникает из-за чрезмерного износа гильзы цилиндра или самого поршня.Когда двигатель нагревается, поршень имеет тепловое расширение, и зазор между поршнем и цилиндром уменьшается, что приводит к уменьшению удара поршня.

    Могу ли я ехать с ударом поршня?

    Можно ездить с хлопком поршня, но долго водить не рекомендуется. Удар поршня вызовет износ самого поршня и гильзы цилиндра. Удар поршня также может вызвать трещины в поршне, что может привести к полному отказу двигателя, если оставить его без присмотра.

    Что вызывает износ юбки поршня?

    Износ юбки поршня вызван недостаточной смазкой гильзы цилиндра маслом.В нормальном рабочем состоянии система смазки разбрызгивает масло на цилиндры, чтобы избежать прямого контакта между юбкой поршня и цилиндром. При неисправности системы смазки или при недостаточном уровне масла на стенках цилиндра не будет достаточно масла, и юбка поршня будет значительно изнашиваться.

    Ссылки

    [1] Клаус Молленхауэр, Хельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer, 2010 г.
    [2] Хироши Ямагата, Наука и технология материалов в автомобильных двигателях, Woodhead Publishing in Materials, Кембридж, Англия, 2005 г. .
    [3] The Aluminium Automotive Manual, European Aluminium Association, 2011.
    [4] Heisler, Heinz, Vehicle and Engine Technology, Society of Automotive Engineers, 1999.
    [5] QinZhaoju et al., Поршневая термомеханическая муфта дизельного двигателя моделирование и многодисциплинарная оптимизация проектирования, Примеры в теплотехнике, Том 15, ноябрь 2019 г.
    [6] Испытания поршней и двигателей, Mahle GmbH, Штутгарт, 2012 г.
    [7] Скотт Кеннингли и Роман Моргенштерн, Тепловые и механические нагрузки в Область чаши сгорания легковых дизельных поршней из AlSiCuNiMg; Пересмотрено с акцентом на расширенный анализ методом конечных элементов и инструментальные методы тестирования двигателей, Federal Mogul Corporation, SAE Paper 2012-01-1330.
    [8] T.K. Гарретт и др., Автомобиль, 13-е издание, Баттерворт-Хайнеманн, 2001.
    [9] Н. Долатабади и др., Об идентификации событий удара поршня в двигателях внутреннего сгорания с использованием трибодинамического анализа, Механические системы и обработка сигналов, Том 58 –59, июнь 2015 г., страницы 308-324, Elsevier, 2014.
    [10] Клаус Молленхауэр и Гельмут Чоеке, Справочник по дизельным двигателям, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010.

    По любым вопросам, наблюдениям и запросам по этой статье , используйте форму комментария ниже.

    Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

    Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

    1. Введение

    Нефть является бесспорным крупнейшим источником энергии для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Однако быстрое истощение запасов нефти из-за увеличения количества транспортных средств, выбросов загрязняющих веществ в продуктах сгорания, которые угрожают экологической системе, и опасения по поводу безопасности поставок из-за неравномерно распределенных запасов нефти по всему миру, из которых около 50 % расположен на Ближнем Востоке, поощряет поиск источников топлива, которые являются более экологически чистыми и имеют обширные запасы в мире [1].

    Бензин и дизельное топливо, которые производятся из сырой нефти, также могут быть получены синтетически из газов CO и H 2 методом, обнаруженным немецкими химиками Францем Фишером и Хансом Тропшем в 1923 году. Синтез Фишера-Тропша, запатентованный метод с 1926, обеспечивает получение синтетического жидкого топлива из многих видов углеродного и водородного сырья. Обычно уголь, природный газ и метан используются для получения больших количеств газов CO и H 2 , которые необходимы для реакций синтеза.Сегодня Германия, Индия, Китай и Южная Африка, обладающие крупными запасами угля, производят коммерчески синтетическое топливо с синтезом Фишера-Тропша [2, 3, 4]. Однако, поскольку состав синтетического бензина и дизельного топлива аналогичен составу природного бензина и дизельного топлива, их влияние на выбросы загрязняющих веществ от транспортных средств также аналогично.

    В этой главе, с целью снижения выбросов загрязняющих веществ в результате работы двигателей внутреннего сгорания, рассматриваются характеристики водорода, природного газа, ацетилена и этанола, которые являются альтернативными видами топлива и могут использоваться без изменения конструкции двигателей SI и CI, и их влияние на характеристики двигателя и выбросы выхлопных газов.Физические и химические характеристики бензина, дизельного топлива и альтернативных видов топлива, упомянутых в этой главе, показаны в таблице 1.

    Свойства Ацетилен Водород CNG Этанол Бензин Дизель
    Формула C 2 H 2 H 2 CH 4 C OH36 2 H 5 906 900 4 –C 12 C 8 –C 20
    Плотность (1 атм, 20 ° C (кг / м 3 )) 1.092 0,08 0,65 809,9 720–780 820–860
    Температура самовоспламенения (° C) 305 572 540 363 257 254
    Стехиометрическое соотношение (кг / кг) 13,2 34,3 17,2 9 14,7 14,5
    Моторное октановое число 45–50 130 105 89.7 95–97
    Пределы воспламеняемости в воздухе (% об.) 2,5–81 4–74,5 5,3–15 3–19 1,4–7,6 0,6 –5,5
    Температура адиабатического пламени (K) 2500 2400 2320 2193 2300 2200
    Мин. Диаметр закалки (мм) 0,85 0,9 3,53 2.97 2,97
    Мин. энергия воспламенения (МДж) 0,019 0,02 0,29 0,23 0,23
    Максимальная скорость пламени (м / с) 1,5 3,5 0,42 0,61 0,5 0,3
    Нижняя теплота сгорания (кДж / кг) 48,225 120,000 49,990 26,700 43.000 42,500

    Топливо, используемое в ДВС, обычно производится из первичных ресурсов. Чтобы преобразовать источник в топливо и доставить это топливо к транспортному средству, проводится анализ от скважины к резервуару (WTT) с точки зрения потребления энергии и выбросов парниковых газов. Балансы энергии и парниковых газов, полученные в результате анализа WTT на основе 2010–2020 + годов для альтернативных видов топлива в ЕС, показаны в таблице 2. Когда таблица 2 исследуется в соответствии с типами топлива, максимальная энергия потребляется для производства газообразного водорода и минимальные затраты энергии на бензиновое топливо.С другой стороны, когда таблица 2 сравнивается с точки зрения ресурсов, наибольшее потребление энергии получается как 3,11 МДж / МДж при использовании электролиза при производстве водорода, в то время как наименьшее потребление энергии составляет 0,1 МДж / МДж при производстве должен газ убирать из географии ЕС. Из таблицы 2 видно, что наибольшее значение CO 2 образуется при получении газообразного водорода, а наименьшее значение выбросов выделяется для бензинового топлива. С точки зрения ресурсов, в то время как самое высокое значение выбросов парниковых газов достигается как 237 г CO 2 / МДж при производстве водорода из угля, наименьшее количество парниковых газов составляет 3.3 г CO 2 / МДж при производстве синтетического природного газа из ветровой электроэнергии.

    0,15
    Топливо Ресурс Затраченная энергия [МДж / МДж топливо] Выбросы парниковых газов [г CO 2 / МДж]
    Бензин 13,8
    Дизель Сырая нефть 0,20 15,4
    Природный газ EU-mix NG 0.17 13,0
    Импортированный ПГ 7000 км 0,29 22,6
    Импортированный ПГ 4000 км 0,21 16,1
    СПГ * 0,28 19,9
    Сланцевый газ 0,10 7,8
    Синтетическое из ветряного электричества 1,05 3,3
    Этанол Сахар * 1,20 28.4
    Пшеница * 1,31 55,6
    Другое * 1,66 41,4
    Водород Природный газ * 1,10 118
    Уголь * 1,45 237
    Биомасса * 1,05 14,6
    Электричество * 3,11 190

    Таблица 2.

    Баланс энергии и парниковых газов в анализах WTT для ЕС (2010–2010 гг. 2020+) [154].

    2. Ацетилен

    Ацетилен использовался в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания в начале 1900-х годов. В 1901 году Гюстав Уайтхед использовал двигатель мощностью 15 кВт, работающий на ацетилене, на своем летательном аппарате. К 1940-м годам ацетилен начал использоваться в автомобилях. В те годы было выдано около 4000 лицензий на перевод автомобилей на альтернативные виды топлива, причем более половины из них приходилось на перевод на ацетилен [5]. В настоящее время ацетилен используется только в металлургической и химической промышленности и не используется в автомобилях.Тем не менее, экспериментальные исследования по использованию ацетилена в ДВС в последние годы набирают обороты из-за высокой скорости пламени и плотности энергии.

    Ацетилен был впервые открыт Эдмундом Дэви в 1836 году. Но впоследствии о нем забыли. Марселлен Бертло заново открыл это углеводородное соединение в 1860 году. Он придумал этому соединению название «ацетилен» [6].

    Ацетилен, первый член алкинов (C n H 2n − 2 ), представляет собой газ без цвета и запаха, но с запахом, похожим на запах чеснока, если он получен из карбида кальция.Газообразный ацетилен в больших количествах не встречается в природе, но обычно его получают в результате реакции карбида кальция с водой [7]. Карбид кальция (CaC 2 ) получают нагреванием смеси негашеной извести и кокса в электродуговых печах до 2000–2100 ° C. Негашеную известь (CaO) получают путем нагревания карбоната кальция (CaCO 3 ) примерно до 900 ° C. На рис. 1 схематически представлена ​​комплексная установка по производству карбида кальция [8]. Более того, процессы видны в уравнениях.(1) и (2) [8, 9, 10].

    Рисунок 1.

    Комплексное производство карбида кальция [8].

    CaCO3 + тепло → CaO + CO2E1

    CaO + 3C → CaC2 + COE2

    Ацетилен имеет более высокую скорость пламени и более высокую плотность энергии, чем бензин и дизельное топливо [11], следовательно, ацетиленовые двигатели могут больше приблизиться к термодинамически идеальному КПД цикла двигателя. Но октановое число ацетилена ниже, чем у других видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания [12]. Поэтому максимальный расход ацетилена ограничивается началом детонации.Более низкая энергия воспламенения, высокая скорость пламени, широкие пределы воспламеняемости и более низкое октановое число приводят к преждевременному воспламенению и нежелательному явлению горения, называемому детонацией [13, 14]. Это основные проблемы, возникающие при использовании ацетилена в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

    В двигателях SI ацетилен и бензин впрыскиваются либо во впускной коллектор, либо непосредственно в цилиндр, и смесь воспламеняется свечой зажигания в конце такта сжатия. В дизельных двигателях ацетилен либо всасывается вместе с всасываемым воздухом, либо впрыскивается непосредственно в цилиндр и сжимается.Однако смесь ацетилен-воздух не самовоспламеняется из-за очень высокой температуры самовоспламенения. Небольшое количество дизельного топлива, называемого пилотным топливом, впрыскивается в смесь в конце такта сжатия. Пилотное дизельное топливо автоматически воспламеняется первым и воспламеняет смесь ацетилена с воздухом, такую ​​как свеча зажигания. Таким образом, двухтопливные дизельные двигатели сочетают в себе черты двигателей SI и CI [15, 16, 17].

    Основные преимущества использования ацетилена в качестве бензин-ацетиленовых смесей в двигателях SI [5, 18, 19, 20, 21]:

    • Смеси ацетилен-бензин могут использоваться в двигателях SI при любой нагрузке от низкой до полной. нагрузка.Однако его также можно использовать в качестве единственного топлива при частичных нагрузках.

    • Если ацетилен смешать с бензином в стехиометрических условиях, это приведет к снижению расхода бензина при постоянной выходной мощности, как показано в таблице 3. В то же время, как видно на рисунке 2, выбросы углеводородов были значительно сокращены. нагрузок и, как видно на Рисунке 3, выбросы NO снизились при полной нагрузке в соответствии с работой с бензином [18]. Экспериментальные исследования [18] проводились при 1500 об / мин и стехиометрическом соотношении в условиях 25, 50, 75% и полной нагрузки.Ацетилен впрыскивался во впускной коллектор испытательного двигателя через газовую форсунку 500 и расход газа 1000 г / ч.

    • Ацетилен увеличивает предел плохого сгорания при частичных нагрузках в двигателях SI. Двигатель может работать в обедненных условиях на бензино-ацетиленовых смесях. Как видно на рисунках 4 и 5, термический КПД двигателя увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается. Кроме того, при высоких коэффициентах эквивалентности наблюдаются довольно низкие выбросы выхлопных газов.Выбросы NO практически отсутствуют, поскольку в обедненных топливно-воздушных смесях температура в цилиндрах снижается, а выбросы несгоревших углеводородов значительно снижаются по сравнению с работой на бензине в двигателях SI, как это видно на рисунках 6 и 7. С использованием ацетилена в качестве альтернативы. топлива в двигателях SI, загрязнение воздуха от автомобилей с двигателями SI в больших городах может быть значительно снижено [19].

    • Ацетилен работает в дизельных двигателях с двухтопливным режимом за счет небольшой модификации двигателя и одновременно снижает выбросы NOx, HC, CO и CO 2 , способствуя значительному снижению расхода дизельного топлива [16].Ацетилен нельзя использовать в качестве единственного топлива в дизельных двигателях из-за высокой степени сжатия. В этом исследовании испытания проводились на четырехтактном дизельном двигателе с номинальной выходной мощностью 4,4 кВт при 1500 об / мин, с небольшими изменениями во впускном коллекторе для удержания газового инжектора. Расход газа 110, 180 и 240 г / ч и оптимизированное время впрыска устанавливались с помощью ЭБУ. В таблице 4 показано соотношение доли энергии дизельного топлива и ацетилена при расходе 240 г / ч [16].

    • В странах с большими запасами угля и небольшими запасами нефти или без них ацетилен может использоваться в автомобилях, которые составляют большую часть транспортных потоков.Таким образом можно уменьшить потребность страны в нефти.

    Таблица 3.

    Массовые потоки топлива, пиковое давление и опережение искры [18].

    * 2 CA после верхней мертвой точки

    Рисунок 2.

    Разновидность HC с тормозным усилием (1500 об / мин, разные нагрузки) [18].

    Рисунок 3.

    Разновидность NO с тормозным усилием (1500 об / мин, разные нагрузки) [18].

    Рисунок 4.

    Изменение BTE с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

    Рисунок 5.

    Вариация BSFC с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

    Рисунок 6.

    Изменение NO в зависимости от коэффициента избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

    Рисунок 7.

    Вариация UHC с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

    Нагрузка (%) Энергетический эквивалент дизельного топлива (кВт) Энергетический эквивалент ацетиленового топлива (кВт) Энергетическая доля газа (%) Энергетическая доля дизельного топлива ( %)
    0 4.01 3,21 44 56
    25 5,31 3,21 38 62
    50 7,79 3,21 29 71
    75 9,33 3,21 26 74
    100 10,39 3,21 24 76

    Таблица 4.

    Соотношение доли энергии дизельного топлива и ацетилена при 240 г / ч [16].

    Основные недостатки ацетилена как альтернативного моторного топлива [22, 23, 24, 25, 26]:

    • Ацетилен — очень взрывоопасный газ, чувствительный к давлению и температуре. По этой причине в транспортных средствах, которые используют ацетилен в качестве топлива, следует серьезно относиться к мерам безопасности, и их не следует парковать в закрытых помещениях.

    • Ацетилен — это топливо с очень низкой энергией воспламенения, которое может вызвать возгорание во впускном коллекторе.

    • Поскольку детонационная стойкость ацетилена низкая, во избежание детонации необходимо точно отрегулировать соотношение воздух-топливо.

    • Ацетилен может использоваться в качестве единственного топлива в двигателях SI только в условиях очень бедной топливовоздушной смеси. В очень обедненных условиях мы не можем получить от двигателя максимальную мощность.

    • Хранение ацетилена в автомобилях — нерешенная проблема. Поскольку ацетилен разлагается под давлением 2,5 бар, его нельзя хранить в виде сжатого газа, как другие газы. Ацетилен хранится растворенным в ацетоне, содержащемся в металлическом цилиндре с пористым наполнителем под давлением 18 бар.Когда баллоны с ацетиленом пусты, заполнение на месте невозможно. Поэтому разборка и монтаж цилиндра является серьезным недостатком. Несмотря на то, что баллоны с ацетиленом производятся разных размеров, вместимость 8,7 м 3 имеет объем около 60 литров и средний вес (полный) 70 кг [27]. Эта ситуация вызывает большие трудности на практике.

    • Другой метод — это производство ацетилена из карбида, как в 1940-х годах, и использование его без хранения. Этот метод требует сложной системы, как показано на рисунке 1.Утилизация остатка, называемого гидроксидом кальция, является еще одной важной проблемой бортовой системы выработки топлива

    3. Природный газ

    Природный газ — это ископаемое топливо, обнаруженное в природных заповедниках, связанное или не связанное с нефтью [28]. Стоимость получения от природы ниже, чем у других ископаемых видов топлива. Природный газ состоит примерно на 90% из метана, 3% этана, 3% азота, 2% пропана и других газовых примесей. Метан, который всегда является доминирующим компонентом природного газа, является первым членом семейства алканов.Благодаря высокому соотношению H / C природный газ известен как самое чистое топливо из ископаемых видов топлива. Благодаря своим экологическим преимуществам во многих странах городские автобусы работают с двигателями, работающими на природном газе. Содержание газа CO 2 , которое обычно должно составлять от 180 до 280 частей на миллион в атмосфере, достигло 405 частей на миллион по состоянию на сентябрь 2018 года из-за чрезмерного использования ископаемого топлива [29]. Поэтому многие страны поощряют использование в транспортных средствах природного газа вместо бензина и дизельного топлива. Поскольку природный газ идеально смешивается с воздухом, он легко воспламеняется, обеспечивает чистое сгорание и дает большое количество тепла.Тепловой КПД двигателей, работающих на природном газе, выше, чем у бензиновых двигателей, так как эти двигатели имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые двигатели [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35].

    В отличие от бензиновых и дизельных двигателей, двигатели внутреннего сгорания, работающие на природном газе, не требуют обогащения топлива при холодном пуске, а выбросы выхлопных газов не зависят от низких температур. Транспортные средства, работающие на природном газе (NGV), производят выбросы ниже нормы EURO 6 в соответствии с транспортными средствами, работающими на нефтяном топливе [30].

    Согласно отчету NGV Global, количество газомоторных автомобилей и заправочных станций в мире быстро растет (Рисунки 8 и 9). По данным на 2018 год, Китай занимает первое место в парке газомоторных автомобилей с 6080000 автомобилей и 8400 АЗС. По количеству газомоторного топлива Иран, Индия и Пакистан идут после Китая. Общее количество газомоторных автомобилей на июнь 2018 г. достигло 26 130 000 [31].

    Рисунок 8.

    Количество автомобилей, работающих на природном газе в мире по годам [31].

    Рисунок 9.

    Количество газозаправочных станций в мире по годам [31].

    Самый большой недостаток для сектора газомоторного транспорта — проблема хранения природного газа. Природный газ легче воздуха. Хотя плотность воздуха на уровне моря при 15 ° C составляет 1,225 кг / м 3 , хотя плотность природного газа зависит от его состава, она составляет около 0,71 кг / м 3 . Поскольку природный газ является легким газом, плотность энергии на единицу объема невысока, и для обеспечения разумного расстояния перемещения объем хранилища следует выбирать большим.К счастью, технология развивалась, и природный газ начал храниться в стальных или углеродных трубах под давлением 200 бар с помощью компрессоров высокого давления. Парковка автомобилей на природном газе в закрытых помещениях опасна из соображений безопасности. В настоящее время автомобили с двигателями, работающими на природном газе, имеют запас хода более 300 миль с одной заправкой. Кроме того, природный газ не является возобновляемым источником энергии, как другие ископаемые виды топлива [35, 36, 37].

    Высокая детонационная стойкость природного газа позволяет использовать его в двигателях с более высокой степенью сжатия по сравнению с бензиновыми двигателями.Эксплуатация автомобилей, работающих на природном газе, при более высоких степенях сжатия, чем автомобили с бензиновым двигателем, увеличивает термический КПД. Как видно на рисунке 10, в ходе испытаний, проведенных при различных степенях сжатия природного газа и смесей природного газа с водородом (HCNG), был получен минимальный расход топлива для степени сжатия 12,5. На рисунке 11 показано, что выбросы THC ниже стандартов Euro VI во всех степенях сжатия [30]. Эксперименты проводились на доработанном дизельном двигателе, имеющем 9.6, 12,5 и 15 различных степеней сжатия при 1500 об / мин в условиях полной нагрузки, работающих на смеси обогащенного водородом сжатого природного газа (100% CNG, 95% CNG + 5% H 2 , 90% CNG + 10% H 2 и 80% CNG + 20% H 2 ). Характеристики двигателя и параметры выбросов были получены при опережения зажигания 10 ° CA BTDC и различных коэффициентах избытка воздуха (λ = 0,9–1,3).

    Рис. 10.

    Значения THC в зависимости от степени избытка воздуха с использованием различных степеней сжатия [30].

    Рисунок 11.

    Значения BSFC в зависимости от степени избытка воздуха с использованием различных степеней сжатия [30].

    Значения NO X для λ = 1,0 и λ = 1,15 показаны в таблице 5. Как видно из таблицы, увеличение степени сжатия и значений доли водорода приводит к увеличению значений NO X .

    CR H 2 (%) λ = 1,0 λ = 1,15
    9.6 0 2000 3620
    5 2100 3825
    10 1710 4185
    20 1535 4225
    12,5 0 2040 4410
    5 1940 4200
    10 2260 4520
    20 2210 4695
    15 0 2045 4465
    5 2570 4700
    10 2660 4565
    20 3030 4350

    Таблица 5.

    NO X значений (ppm) для λ = 1,0 и λ = 1,15 [30].

    4. Этанол

    Этанол обычно производится из возобновляемых источников, таких как биомасса и сельскохозяйственное сырье [38, 39]. Итак, этанол получил широкое распространение в качестве альтернативного топлива в двигателях внутреннего сгорания. Октановое число этанола выше, чем октановое число бензина. Высокое октановое число этанола позволяет использовать этанол в качестве топлива в двигателе SI с более высокой степенью сжатия [40].Скрытая теплота испарения этанола увеличивает охлаждающий эффект в цилиндре, эта ситуация приводит к увеличению объемного КПД [41]. Этанол горит чище, чем бензин и дизельное топливо, и производит меньше CO, CO 2 и NO x . Он имеет низкий коэффициент диффузии и трудность воспламенения при низкой температуре, поэтому сгорание не завершается при низкой температуре и содержание углеводородов увеличивается по сравнению с бензином при использовании этанола. Химический состав этанола: C 2 H 5 OH.Процент водорода в этаноле выше, чем в бензине.

    Недавно природоохранные органы в крупных городских центрах выразили обеспокоенность по поводу истинного эффекта от использования смесей этанола, содержащих до 20% в используемых транспортных средствах без каких-либо изменений в настройке блока управления двигателем (ЭБУ), а также по поводу вариантов эти эффекты за годы эксплуатации этих автомобилей [40].

    Чистый этанол можно использовать в двигателях внутреннего сгорания, но есть некоторые проблемы [42, 43, 44, 45].Вот эти проблемы;

    1. Этанол имеет низкую скорость пламени. Значит, у него плохая функция холодного пуска. Использование в качестве топлива в зимние месяцы затруднено.

    2. Легковых автомобилей, рассчитанных на 100% этанол, не существует. Использование чистого этанола может повредить двигатели. Даже двигатели, которые могут работать со смесями бензина и этанола, могут содержать до 85% этанола.

    3. Этанол — коррозионно-агрессивное топливо. Итак, материалы и поверхности деталей камеры сгорания, все пластмассы, контактирующие с топливом и системой впрыска топлива, должны быть улучшены.

    5. Водород

    Хотя водород является наиболее распространенным элементом в мире и не существует в природе в чистом виде, его необходимо производить из таких источников, как вода и природный газ. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится [46, 47].

    Водород давно изучается как альтернативное газовое топливо. Водород не имеет некоторых проблем, связанных с жидким топливом, таких как паровая пробка, закалка с холодной стенкой, недостаточное испарение и бедное смешение.Водород имеет чистое горение. При сжигании водорода выделяется в основном вода. При сгорании водорода не выделяются токсичные продукты, такие как углеводороды, монооксид углерода и диоксид углерода [48]. Самым важным преимуществом водорода является то, что он не производит газа CO 2 , который является одним из наиболее важных источников глобального потепления. Кроме того, водород имеет более широкий предел воспламеняемости, чем бензин, дизельное топливо и природный газ [49, 50]. Кроме того, водород имеет высокую скорость пламени и высокую температуру самовоспламенения [51].Также водород легко может гореть в сверхбедных смесях [52]. Энергия, необходимая для воспламенения водородно-воздушной смеси, составляет всего 0,02 МДж. Поэтому он идеален для слабых смешанных ожогов [50]. Наконец, водород можно использовать при широких степенях сжатия в двигателях внутреннего сгорания, поскольку температура самовоспламенения водорода слишком высока [53]. Благодаря этим свойствам было проведено множество исследований по использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания [54, 55, 56].

    Из-за низкой энергии, необходимой для воспламенения водорода, смесь немедленно воспламеняется при контакте с горячей точкой в ​​цилиндре.В результате может возникнуть детонация [56, 57]. Как видно из рисунка 12, еще одним недостатком водорода является его низкая плотность энергии [58]. Кроме того, образование выбросов NO X увеличивается при горении водорода из-за высокой температуры пламени [59, 60]. Увеличение NO X с водородом можно увидеть на Рисунке 13.

    Рисунок 12.

    Энергетическая плотность некоторых видов топлива [145].

    Рис. 13.

    Изменения NOX при разных оборотах двигателя (a) [61] и различной степени избытка воздуха (b) [62] при добавлении водорода к бензину.

    Эксперименты, включенные в исследование на чистом водороде и бензине [61], в которых был взят рисунок 13, проводились на четырехцилиндровом, четырехтактном двигателе SI с карбюратором, имеющем степень сжатия 8,8: 1. Момент зажигания был установлен на 10 ° перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Двигатель работал в диапазоне частот от 2600 до 3800 об / мин. В экспериментальном исследовании [62] испытания проводились при частоте вращения двигателя 1400 об / мин, давлении воздуха в коллекторе 61,5 кПа, времени зажигания MBT и различных соотношениях избыточного воздуха (1.0–2,6). В этом исследовании, чтобы моделировать водород, мольное отношение водорода к кислороду было зафиксировано на уровне 2: 1 за счет регулировки продолжительности впрыска водорода и кислорода. Кроме того, в испытаниях были приняты три стандартные объемные доли кислорода в общем поступающем газе, равные 0, 2 и 4%.

    6. Водородная смесь

    Поскольку водород оказывает отрицательное воздействие на двигатель внутреннего сгорания, он используется в виде смеси, а не в чистом виде. Наиболее распространенная водородная смесь — HCNG. Смесь образована смешением природного газа.Смеси природного газа и водорода (HCNG), которые считаются альтернативным топливом для обычных двигателей, представляют собой смеси, созданные для объединения превосходных свойств природного газа и водорода. Существует множество исследований [63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70] с использованием HCNG в качестве альтернативного топлива.

    Как видно на рисунке 14, добавление водорода вызывает увеличение теплового КПД и вызывает расширение пределов воспламеняемости. Кроме того, при рассмотрении цифр видно, что добавление водорода увеличивает стабильность горения и значение тормозной мощности, а также снижает удельный расход топлива.

    Рисунок 14.

    Значения BTE, COV, мощности и BSFC в зависимости от соотношения эквивалентности при 2200 об / мин, 50% WOT с синхронизацией MBT и разным процентным содержанием водорода [69].

    Более того, как видно на Рисунке 15, добавление водорода к природному газу приводит к снижению выбросов CO и HC и увеличению значений NO X . В экспериментальном исследовании, на котором был взят рисунок 15, эксперименты проводились при 2000, 2400 и 2800 об / мин с широко открытой дроссельной заслонкой и изменением степени эквивалентности.Двигатель с одноцилиндровым двигателем, имеющий степень сжатия 7,25: 1, работал на сжатом природном газе, а смеси водорода в КПГ составляли 5, 10, 15 и 20% энергии.

    Рис. 15.

    Значения выбросов в зависимости от коэффициента эквивалентности при 2000 об / мин (a), 2400 об / мин (b) и 2800 об / мин (c) и при различных расходах водорода [70].

    Другой смесью, полученной с использованием водорода, является смесь этанола и водорода. В литературе можно найти множество исследований по использованию водорода и этанола в двигателях внутреннего сгорания [71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85].

    В экспериментальном исследовании [85], в котором был взят рисунок 16, эксперименты проводились на двигателе с воспламенением от сжатия, модифицированном для работы в режиме искрового зажигания, работающем на двухтопливной комбинации водород-этанол с различным процентным содержанием водорода (0– 80%) в условиях степени сжатия 7: 1, 9: 1 и 11: 1 путем изменения момента зажигания искры при постоянной скорости 1500 об / мин.

    Рис. 16.

    Изменения BSFC в зависимости от времени воспламенения при степенях сжатия 7: 1 и 11: 1 для различных смесей этанола и водорода [85].

    В исследовании, проведенном со смесью водород-ацетилен, Sampath Kumar et al. [86] были исследованы характеристики и поведение выбросов двигателя SI, работающего на водородно-ацетиленовом топливе. Результаты показали, что термический КПД тормозов увеличился, а значения выбросов снизились по сравнению с бензином.

    В другом исследовании Tangöz et al. [87] были проанализированы характеристики и выбросы двигателя SI, работающего на ацетилен-водороде при фиксированном значении BMEP, равном 2.095 бар, нагрузка 30 Нм и частота вращения двигателя 1500 об / мин в условиях обедненной смеси (λ = 1,3–2,8). Как видно из рисунков 17 и 18, экспериментальные результаты показали, что значения удельного расхода топлива снижаются между 18,5 и 20,1% за счет добавления водорода в смесь. Значения термического КПД тормозов снижаются от 6,2 до 3,3% при добавлении водорода в смесь. Кривые давления в цилиндре и скорости тепловыделения продвигаются в верхнюю мертвую точку за счет добавления водорода к ацетилену.Добавление водорода в ацетилен приводит к снижению выбросов CO и HC и увеличению значений NO X для фиксированной лямбды.

    Рисунок 17.

    Значения SFC и BTE в зависимости от различных фракций водорода [87].

    Рис. 18.

    Выбросы CO и HC в зависимости от различных долей водорода [87].

    7. Альтернативные виды топлива для новых применений ДВС

    Сегодня одной из наиболее важных проблем при использовании двигателей внутреннего сгорания является производство вредных выхлопных газов.По этой причине было проведено множество исследований по снижению выбросов при сохранении рабочих характеристик двигателя с помощью новых приложений ICE, таких как HCCI, RCCI, PCCI и PPC. Более того, с целью сокращения выбросов некоторые из этих исследований были сосредоточены на использовании альтернативных видов топлива. В новых двигателях есть процесс, в котором гомогенная смесь воздуха и топлива сжимается в условиях, когда самовоспламенение происходит ближе к концу такта сжатия, за которым следует сгорание, которое значительно быстрее, чем сгорание обычного дизельного топлива или топлива Отто. .Самовоспламенение и фазировка сгорания в цилиндре регулируются расслоением смеси и синхронизацией впрыска топлива [88, 89, 90, 91, 92, 93]. Применение этих двигателей по сравнению с обычными двигателями позволяет снизить выбросы оксидов азота и сажи и достичь более высокого теплового КПД [94, 95, 96, 97, 98]. Однако в этих двигателях очень сложно управлять автоматическим зажиганием. Было проведено множество исследований для управления процессом самовоспламенения в двигателях с использованием альтернативных видов топлива, имеющих высокую температуру самовоспламенения, низкую реактивность или высокое октановое число.

    Одним из наиболее важных новых приложений ДВС является воспламенение от сжатия однородного заряда (HCCI). Для управления процессом самовоспламенения в двигателе HCCI в качестве альтернативного топлива используются некоторые виды топлива с высокой температурой самовоспламенения. При рассмотрении этих исследований видно, что исследования были сосредоточены на природном газе [99, 100, 101, 102, 103, 104], этаноле [105, 106, 107, 108], ацетилене [109, 110, 111, 112, 113, 114] и водород [115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122]. Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI), воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием заряда (PCCI) и сгорание с частичным предварительным смешиванием (PPC) являются другими новыми приложениями ДВС.В двигателях топливо с низкой реакционной способностью вводится из порта впрыска для образования гомогенной смеси в цилиндре, а топливо с высоким цетановым числом впрыскивается непосредственно в цилиндр для управления фазированием и продолжительностью сгорания. Топливо с высоким октановым числом или низкой реакционной способностью с устойчивостью к самовозгоранию более благоприятно для горения RCCI, PCCI и PPC. По этой причине большинство исследований двигателей RCCI, PCCI и PPC сосредоточено на природном газе [89, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133] и этаноле [ 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144] в качестве альтернативного топлива.

    В результате было обнаружено, что рабочие параметры, такие как тип топлива, состав топлива, соотношение воздух-топливо и температура на входе, значительно влияют на рабочий режим новых приложений ДВС. Однако считается, что полная структура для каждого режима приложения ICE не была предоставлена. Более того, несмотря на значительное снижение NO X и выбросов сажи в приложениях, работающих на альтернативных топливах, значительные количества образующихся выбросов HC и CO все еще остаются проблематичными.

    8. Заключение

    Ацетилен обладает некоторыми подходящими свойствами, такими как высокая плотность энергии, высокая температура пламени, высокая скорость пламени и низкий уровень выбросов. По этой причине считается, что в будущем можно будет использовать важное топливо или альтернативное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он увеличивает термический КПД тормозов и способствует снижению расхода топлива и всех значений выбросов. Однако следует провести некоторые исследования для повышения ударопрочности ацетилена.Более того, для использования ацетилена в качестве альтернативного топлива в транспортных средствах необходимо разработать эффективные методы производства и новые методы хранения. Наконец, чтобы определить, является ли ацетилен экономичным или нет, необходимо провести анализ до резервуара.

    Глядя на современные области применения, становится очевидным, что топливо из природного газа является подходящим топливом, особенно для двигателей SI с высокой степенью сжатия из-за высокой детонационной стойкости. Эксплуатация автомобилей, работающих на природном газе, при более высоких степенях сжатия, чем автомобили с бензиновым двигателем, снижает BSFC.С другой стороны, природный газ, наиболее чистое ископаемое топливо из-за высокого отношения H / C, обеспечивает большее сокращение выбросов THC, чем стандарт Euro VI, при соблюдении подходящей степени сжатия. Однако, чтобы его можно было использовать во всех двигателях, необходимо устранить проблему хранения. Кроме того, необходимо провести исследования по увеличению плотности энергии.

    Этанол имеет высокое октановое число. Однако он дороже ископаемого топлива и имеет коррозионные свойства. Кроме того, даже двигатели, которые могут работать со смесями бензин-этанол, могут содержать до 85% этанола.Этанол можно смешивать с другим альтернативным топливом для повышения плотности энергии. Этанол горит чище, чем бензин и дизельное топливо, и производит меньше CO, CO 2 и NO x , но содержание HC увеличивается из-за его низкого коэффициента диффузии и трудности воспламенения при низкой температуре.

    Водород — чистое топливо с очень высокой удельной массой энергии. Характеристики быстрого горения водорода позволяют работать двигателю на высоких оборотах, и для водорода возникают меньшие тепловые потери, чем для бензина. NO x Выбросы двигателя, работающего на водороде, примерно в 10 раз ниже, чем у двигателя, работающего на бензине, если он работает на обедненной смеси.Поскольку водород имеет некоторые недостатки, такие как очень низкая энергия воспламенения и объемная плотность энергии, его смешивают с другими видами топлива, особенно с природным газом, для использования в двигателях SI.

    Необходимо провести интенсивные исследования, такие как использование водорода в жидком состоянии, чтобы решить проблемы хранения, чтобы достичь желаемого уровня использования в двигателях внутреннего сгорания. Также следует изучить методы или смеси, которые уменьшают образование NO x .

    Несмотря на значительное сокращение выбросов NO X и сажи в новых приложениях ДВС, таких как HCCI, RCCI, PCCI и PPC, работающих на альтернативных видах топлива, образование значительных объемов выбросов HC и CO по-прежнему остается проблематичным.

    Следовательно, каждое топливо имеет положительные и отрицательные свойства для использования в двигателях внутреннего сгорания. Существуют различия во влиянии каждого альтернативного топлива на выбросы и работу двигателя. Дальнейшие исследования могут быть выполнены для получения подходящего гибридного топлива путем сравнения этих альтернативных видов топлива для уменьшения всех выбросов и улучшения характеристик двигателя.

    Сокращения

    BMEP Среднее эффективное давление тормоза
    BSFC Удельный расход топлива тормоза
    BTE Тепловой КПД тормоза
    CA BTDC Угол поворота коленвала до верхней мертвой точки
    CI Двигатель с воспламенением от сжатия
    COV Коэффициент вариации
    CR Степень сжатия
    EU Европейский Союз
    HCNG смеси природного газа и водорода
    ICE двигатель внутреннего сгорания
    MBT максимальный тормозной момент
    NGV автомобили на природном газе
    SI искровое зажигание
    WOT широко открытая дроссельная заслонка
    WTT скважина к резервуару

    Двигатели внутреннего сгорания | IntechOpen

    2.Углеводы и гликемический контроль

    Углеводы, попадающие в пищу, являются основным фактором, определяющим уровень глюкозы в крови после еды. Как количество, так и качество (или вид углеводов) особенно влияют на вариабельность уровней глюкозы в крови, полученных после приема. Следует иметь в виду, что продукты, богатые углеводами, представляют собой основу питания в большинстве культур, поскольку они являются важными источниками витаминов, минералов и клетчатки [4].

    Что касается количества углеводов, то минимальная суточная потребность составляет 130 г [5], при этом отсутствуют исследования по безопасности рекомендаций по питанию, требующих меньшего количества углеводов в течение периодов более одного года.Качество или вид потребляемых углеводов могут вызывать значительные изменения в реакции человека на еду, увеличивая или уменьшая скорость, с которой содержащиеся углеводы могут перевариваться, а также их способность повышать уровень сахара в крови. Определенные факторы, связанные с пищевыми продуктами, могут увеличить скорость повышения уровня глюкозы в крови, например:

    • Термическая или механическая обработка . Более продолжительное время приготовления или определенные механические процессы, такие как измельчение зерна в муку, увеличивают скорость поглощения пищи.

    • Степень желатинизации крахмала . Воздействие тепла в присутствии воды инициирует процесс желатинизации крахмала, что способствует расщеплению пищи кишечными ферментами во время процесса пищеварения, тем самым увеличивая скорость всасывания.

    • Соотношение амилоза и амилопектин крахмалов . Крахмалы в основном состоят из цепей амилозы и амилопектина. Амилоза образует неразветвленные спиральные структуры, которые менее доступны для пищеварительных ферментов, чем цепи амилопектина.

    • Сорт сахара . Фруктоза всасывается медленнее, чем глюкоза или сахароза. Кроме того, после всасывания в кишечнике он должен пройти ряд процессов в печени, чтобы стать глюкозой. Таким образом, продукты, богатые фруктозой, вызывают более медленное повышение уровня сахара в крови, чем продукты, содержащие в своем составе другие виды сахара, такие как глюкоза или даже крахмал.

    • Прочие пищевые компоненты . Присутствие в пище большого количества белка, клетчатки или жира может изменить скорость всасывания, замедляя процесс пищеварения.Некоторые приправы, такие как уксус, способны подкислять пищу, что замедляет процесс пищеварения и, следовательно, усвоение пищи.

    Кроме того, необходимо учитывать другие факторы, специфичные для человека, которые также могут повлиять на скорость абсорбции. Эти факторы включают низкий уровень глюкозы в крови или голодание перед едой. Следует отметить, что низкое потребление углеводов в течение нескольких часов или дней перед выполнением умеренной или интенсивной, средней или продолжительной физической активности может вызвать снижение запасов гликогена в печени и мышцах, что затем снижает гликемический эффект любой съеденной пищи. .

    Один из способов узнать, с какой скоростью углеводы, содержащиеся в определенных продуктах питания, повышают уровень сахара в крови, — это посмотреть на их гликемический индекс. Это измерение выполняется путем сравнения кривой уровня глюкозы в крови, полученной после приема некоторого количества пищи, обеспечивающей 50 г углеводов, с кривой уровня глюкозы в крови, полученной с эталонным пищевым продуктом, обычно с 50 г глюкозы. Продукты сгруппированы в три разные категории: низкие, средние и высокие, в зависимости от их гликемического индекса, при этом продукты с высоким гликемическим индексом вызывают резкие скачки уровня гликемии.В последнее время всплыло и понятие гликемической нагрузки, которая определяется путем учета количества углеводов, содержащихся в порции потребляемой пищи.

    Важно помнить, что измерения — это теоретическая концепция, и что существует широкий спектр факторов, влияющих на скорость всасывания углеводов и повышение уровня гликемии. Эти факторы включают вид продуктов питания, бренд или страну происхождения, используемые методы приготовления и степень обработки пищевых продуктов.

    В любом случае при лечении диабета важно согласовывать дозы инсулина с содержанием углеводов в пище, которое можно оценить с помощью различных методов, включая подсчет углеводов, систему углеводного обмена или приблизительные размеры порции на основе опыта.

    3. Влияние физических упражнений на баланс глюкозы в крови и риск гипогликемии

    Влияние физических упражнений на уровень глюкозы в крови определяется взаимодействием между метаболическими и гормональными эффектами, а также изменениями, происходящими в усвоении глюкозы мышцами.

    3.1. Энергетические субстраты во время отдыха и упражнений

    Жировые отложения жировой ткани являются основным источником энергии в организме человека с запасом от 60 000 до 150 000 ккал. Это содержание намного больше энергии, которую могут обеспечить углеводы, примерно 2000 ккал. Большая часть из них, около 1500 ккал, хранится в мышцах в виде гликогена, а остальная часть поступает из отложений гликогена, накопленных в печени, и глюкозы, содержащейся в крови и внеклеточных жидкостях.

    На ранних этапах тренировки [6-8] мышечный гликоген является основным источником энергии для сокращения мышц. Впоследствии истощение отложений гликогена в мышцах активирует липолиз жирных кислот, хранящихся в жировой ткани. Таким образом, увеличение свободных жирных кислот и глицерина в плазме представляет собой дополнительный источник энергии для сокращения мышц. Глюкоза будет поступать в результате гликогенолиза в печени с последующим глюконеогенезом в печени. Субстратами, используемыми печенью для синтеза новой глюкозы, являются лактат, пируват и некоторые аминокислоты, в основном аланин, вместе с глицерином, полученным в результате метаболизма триглицеридов.Вклад различных субстратов зависит от интенсивности, продолжительности и вида выполняемых упражнений. Относительная пропорция каждого из них направлена ​​на поддержание трех фундаментальных физиологических аспектов: 1) сохранение баланса глюкозы в крови, 2) поддержание эффективного метаболизма и хранения глюкозы, и 3) сохранение и поддержание отложений мышечного гликогена для предотвращения и / или задержки наступление мышечной усталости.

    3.2. Гормональный ответ на физическую нагрузку

    Метаболическая адаптация к физической нагрузке возможна благодаря высокоэффективной системе, объединяющей нервные импульсы и гормональную реакцию.Во время отдыха у людей без диабета наблюдается так называемая базальная секреция инсулина, которая увеличивается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови, которое происходит после приема пищи. Хорошо известно, что инсулин стимулирует поглощение глюкозы скелетными мышцами и печенью, чтобы впоследствии облегчить ее хранение в форме гликогена.

    Физические упражнения вызывают стимуляцию адренергических нервов, воздействуя на бета-клетки поджелудочной железы и приводя к подавлению секреции инсулина [9-10]. К счастью, это снижение уровня инсулина не влияет на усвоение глюкозы мышцами, так как упражнения запускают другие механизмы, которые могут улучшить усвоение глюкозы мышцами.

    Стимуляция другого гормона поджелудочной железы, глюкагона, и, в частности, его тесное и правильное взаимодействие с инсулином — это явления, происходящие во время упражнений, которые необходимы для поддержания и регулирования выработки глюкозы. Снижение уровня инсулина при исходных физических нагрузках способствует увеличению секреции глюкагона альфа-клетками островков поджелудочной железы. Это повышение имеет решающее значение и действует непосредственно на метаболические пути производства глюкозы в печени (гликогенолиз и глюконеогенез).Кроме того, во время упражнений повышается уровень контррегулирующих гормонов, таких как катехоламины, кортизол и гормон роста, способствуя балансу вышеупомянутых метаболических путей и увеличивая липолиз в жировых клетках. Упражнения высокой интенсивности могут чрезмерно активировать эти противорегулирующие гормоны, что приводит к заметному увеличению выработки глюкозы в печени и умеренной степени гипергликемии по окончании тренировки.

    3.3. Метаболические реакции на упражнения при диабете

    Как и ожидалось, спортсмены с диабетом 1 типа отличаются от своих коллег, не страдающих диабетом, поскольку у них наблюдается дефицит секреции инсулина и, следовательно, их контррегулирующие гормоны реагируют по-разному.Пациенты с диабетом, получающие инсулин, должны научиться имитировать собственный естественный секреторный ритм инсулина в ответ на физиологические изменения, вызванные упражнениями.

    Любой пациент с диабетом и особенно спортсмены-диабетики должны предотвращать проблемы, связанные с неправильной дозировкой инсулина. Если спортсмен с диабетом начинает тренировку при значительном дефиците инсулина, его реакция на упражнения может вызвать гипергликемическую гиперкомпенсацию, даже кетоз, поскольку недостаток инсулина вызывает: 1) повышенную выработку глюкозы в печени; 2) снижение периферической утилизации глюкозы; и 3) чрезмерный липолиз с увеличением производства свободных жирных кислот.

    Если у спортсмена, страдающего диабетом, при любых обстоятельствах наблюдается избыток инсулина во время тренировок, его реакция на него может вызвать гипогликемию из-за: 1) снижения выработки глюкозы в печени; 2) повышенная утилизация периферической глюкозы; и 3) снижение липолиза [11-12].

    Также важно учитывать изменения, происходящие после физических нагрузок. Поглощение глюкозы мышцами независимо от инсулина все еще стимулируется в течение нескольких часов после активности, и мышцам требуется большее количество глюкозы для пополнения запасов гликогена.Физические упражнения повышают чувствительность к инсулину, а это означает, что действие инсулина длится дольше. Если спортсмен, страдающий диабетом, не увеличивает потребление углеводов и / или не снижает дозу инсулина, значительный эпизод гипогликемии может произойти через несколько часов после окончания упражнений [13].

    3.4. Влияние инсулина и физических упражнений на усвоение глюкозы мышцами

    И инсулин, и сокращение мышц помогают глюкозе проникать в мышцы, где она окисляется и впоследствии превращается в энергию для сокращения мышц.Однако механизмы, с помощью которых эти два стимула способствуют транспорту глюкозы, полностью не изучены. Есть свидетельства того, что они не действуют аналогичным образом. Например, упражнения, в отличие от инсулина, вызывают увеличение мышечного кровотока и транспорта глюкозы, которое сохраняется в течение нескольких часов после завершения упражнений. Эксперименты с лабораторными животными показали, что индукция транспорта глюкозы, производимого упражнениями, не зависит от инсулина, так как тирозинкиназная активность рецептора инсулина не стимулируется.Вместо этого он, по-видимому, действует другими путями, в частности, с участием AMP-киназы (AMPK).

    Молекулярная характеристика транспортера глюкозы GLUT 4, который специфически экспрессируется в мышечных и жировых клетках, пролила новый свет на выяснение механизмов, упомянутых выше. По-видимому, перемещение GLUT 4 [14-15] из цитозоля на клеточную мембрану является одним из основных механизмов транспорта глюкозы в мышцах и может стимулироваться как инсулином, так и упражнениями.Существование

    Краткая история двигателя внутреннего сгорания — _ памятует

    18 апреля 2019 г.

    Вы можете передвигаться пешком, верхом или в экипаже — после изобретения колеса возможности доступны для Человечество для путешествий по суше почти не развивалось в течение 4000 лет. Это не изменилось до появления новаторов и изобретателей в конце 19 века. После того, как железная дорога позволила перевозить большое количество людей и товаров в отличном стиле, именно двигатель внутреннего сгорания коренным образом изменил индивидуальную мобильность.Наша краткая история двигателя внутреннего сгорания связана с рассказом о том, как он был изобретен, как он стал использоваться в первых автомобилях и что было сделано для снижения рисков, связанных с этой инновацией в области высокоскоростной мобильной связи.

    Однажды в августе 1888 года жители Вислоха, Брухзаля и Дурлаха имели все основания для удивления: трехколесная повозка, напоминавшая нечто среднее между конным экипажем и велосипедом, катилась по улицам их городов. . За исключением того, что лошадей поблизости не было.И трое пассажиров, женщина и двое молодых людей, похоже, не крутили педали. Транспортное средство, по-видимому, двигалось на собственном ходу, управляемом рукояткой, которую женщина держала. Женщину звали Берта Бенц, подростками — ее сыновья Ричард и Ойген, а транспортным средством — запатентованный Бенц автомобиль № 3.

    Карл Бенц, муж Берты, запатентовал первую версию автомобиля еще в 1886 году и представил автомобиль широкой публике в июле того же года во время тест-драйва в Мангейме.«Не может быть никаких сомнений в том, что у этого моторизованного велосипеда скоро появится множество друзей», — было эйфорическое заявление Neue Badische Landeszeitung 4 июня 1886 года. И все же первые попытки найти покупателей, желающих вложить деньги в этот «бензиновый вагон», потерпели неудачу. , а экономический успех оказался недостижимым. Чтобы оживить падающее настроение мужа и убедить современников в практичности нового транспортного средства, Берта Бенц решила провести тщательный тест-драйв, хотя и не предупредив заранее своего колеблющегося мужа.Утром она и ее сыновья выехали на 104-километровую дорогу из Мангейма в свой родной город Пфорцхайм, куда они благополучно доехали через 12 часов 57 минут.

    Эта поездка считается первой поездкой на большие расстояния в истории автомобилестроения и по сей день отмечается как Мемориальный маршрут Берты Бенц. Насколько велико было в то время рекламное воздействие, все еще остается предметом споров среди исследователей. Одно можно сказать наверняка: после этого запатентованный автомобиль Benz начал свой медленный, но верный путь в гору к коммерческому успеху.К 1893 году было продано 69 автомобилей, в основном в США, Англии и, особенно, во Франции, где благодаря хорошим дорогам первые автолюбители не были так сильно потрясены. К началу века Benz & Cie. Уже поставила 1709 экземпляров своих автомобилей. Количество сотрудников превысило 430 человек, что в десять раз больше.

    Сравнение электромобилей с аккумуляторными батареями и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания

    Комплексная оценка в США

    Электромобили с аккумуляторной батареей (BEV) не потребляют бензин и не производят выбросов углерода в выхлопных трубах, что делает возможность экологически устойчивого вождения доступной для среднего потребителя.Однако остается вопрос: «Действительно ли BEV обладают экологическим преимуществом в отношении потенциала глобального потепления и вторичного воздействия на окружающую среду — и если да, то какой ценой?»

    Чтобы ответить на этот вопрос, Артур Д. Литтл провел анализ экономической стоимости всего жизненного цикла и воздействия на окружающую среду электромобилей с литиево-ионными батареями (BEV) по сравнению с автомобилями с двигателями внутреннего сгорания (ICEV), чтобы лучше понять BEV и их потенциал преобразования. В этом исследовании моделируется относительное влияние новых BEV и ICEV в Соединенных Штатах за последний полный календарный год, за который имеются данные, 2015 г., и прогнозируется влияние BEV и ICEV на экономику и окружающую среду в течение всего предполагаемого двадцатилетнего срока службы для легковой автомобиль США.Учитывая, что это быстро развивающийся рынок, в нашем исследовании также прогнозируется влияние на экономику и окружающую среду, которое новые BEV и ICEV будут иметь в 2025 году, с учетом ожидаемых значительных изменений в технологии аккумуляторов, модельном ряду транспортных средств и стандартах экономии топлива.

    Чтобы определить истинные затраты и воздействие на окружающую среду от BEV, мы провели всесторонний количественный анализ, исключая какие-либо государственные стимулы или субсидии. В нашем исследовании был изучен каждый этап жизненного цикла автомобиля, от НИОКР и производства, включая поиск сырья до владения и утилизации по окончании срока службы.Мы оценили воздействия, связанные с каждым компонентом транспортного средства, от новейших технологий и химического состава, задействованных в производстве аккумуляторов, до потребностей в энергии при использовании (например, бензин и электричество, от скважины до колес), необходимых для питания транспортного средства. Мы построили модели, которые рассчитывают общую стоимость владения (TCO) за 2015 г., потенциал глобального потепления (GWP) и вторичные воздействия на окружающую среду (например, потенциал токсичности для человека, характеризуемый как потерянные годы жизни с поправкой на инвалидность) для BEV и ICEV.Мы также прогнозируем развитие технологий BEV и ICEV в ближайшее десятилетие, и мы использовали эту информацию для моделирования совокупной стоимости владения, GWP и вторичного воздействия на окружающую среду на 2025 год для BEV и ICEV.

    Согласно результатам нашего исследования, экологическая и экономическая реальность электромобилей намного сложнее, чем они обещали. С экономической точки зрения, BEV обладают рядом явных преимуществ. Во-первых, стоимость электроэнергии, связанная с эксплуатацией BEV на расстоянии в одну милю, значительно ниже, чем стоимость бензина, необходимая для эксплуатации сопоставимого ICEV на том же расстоянии.Во-вторых, обслуживание БЭВ обходится дешевле благодаря относительной элегантности и простоте системы аккумулятор-электродвигатель по сравнению с частым обслуживанием, необходимым для работы системы внутреннего сгорания. В-третьих, технология автомобильных аккумуляторов быстро развивалась с тех пор, как нынешнее поколение BEV вышло на рынок, при этом цена за киловатт-час (кВтч) литий-ионных аккумуляторных батарей снизилась с 1126 долларов в 2010 году до всего 300 долларов в 2015 году (см. Приложение E-1. ).

    Согласно результатам нашего исследования, экологическая и экономическая реальность электромобилей намного сложнее, чем они обещали.С экономической точки зрения, BEV обладают рядом явных преимуществ. Во-первых, стоимость электроэнергии, связанная с эксплуатацией BEV на расстоянии в одну милю, значительно ниже, чем стоимость бензина, необходимая для эксплуатации сопоставимого ICEV на том же расстоянии. Во-вторых, обслуживание БЭВ обходится дешевле благодаря относительной элегантности и простоте системы аккумулятор-электродвигатель по сравнению с частым обслуживанием, необходимым для работы системы внутреннего сгорания. В-третьих, технология автомобильных аккумуляторов быстро развивалась с тех пор, как нынешнее поколение BEV вышло на рынок, при этом цена за киловатт-час (кВтч) литий-ионных аккумуляторных батарей снизилась с 1126 долларов в 2010 году до всего 300 долларов в 2015 году (см. Приложение E-1. ).

    Рисунок 1. Общая стоимость владения за 20-летний срок службы ICEV 2015 года по сравнению с эквивалентным BEV

    Электромобили с аккумулятором и автомобили с двигателем внутреннего сгорания

    Рисунок 2. Выбросы парниковых газов в течение 20-летнего срока службы для ICEV 2015 года по сравнению с эквивалентным BEV

    являются значительным препятствием для более широкого внедрения BEV и могут объяснить, почему их проникновение на рынок до сих пор ограничено.

    С экологической точки зрения картина еще сложнее. BEV в 2015 году достигают цели по сокращению выбросов парниковых газов по сравнению с сопоставимыми ICEV, если рассматривать их на протяжении всего срока службы автомобиля, но это маскирует повышенное воздействие на здоровье человека по сравнению с ICEV и множество других побочных воздействий на окружающую среду (см. Рисунки 2 и 3) . В то время как большинство воздействий на окружающую среду, создаваемых ICEV, локализовано на сгорании бензина в двигателе транспортного средства, производственный процесс для BEV создает гораздо более широкие

    Рисунок 3. дней воздействия на жизнь (смерть или инвалидность) для компактного пассажирского ICEV 2015 года по сравнению с эквивалентным BEV за 20 лет владения

    разбросанных и разрушительных воздействий на окружающую среду, компенсирующих значительную часть их общего преимущества в отношении выбросам парниковых газов.

    В частности, использование тяжелых металлов в производстве литий-ионных аккумуляторных батарей для BEV в сочетании с загрязнением, создаваемым энергосистемой США (например,г. хвосты угольных электростанций) для эксплуатационной части жизненного цикла BEV создают примерно в три раза большую токсичность для человека по сравнению с ICEV (см. рисунок 3). Принимая во внимание расхождение в распределении воздействий на окружающую среду, можно с уверенностью сказать, что потребитель, который предпочитает использовать BEV вместо ICEV, смещает экологию

    Рисунок 4. Сравнение исследования ADL с данными Союза обеспокоенных ученых и национального сообщества. Результаты Бюро экономических исследований

    влияние владения автомобилем.Как подробно описано в недавней серии расследований, опубликованных Washington Post, большая часть кобальта и графита, поступающих в цепочку поставок литий-ионных аккумуляторов, поступает из плохо регулируемых и сильно загрязняющих шахт в Конго1 и Китае2. В то время как драйвер BEV снижает их Вкладывая локальный вклад в выбросы парниковых газов, они создают более рассеянный набор воздействий на окружающую среду, распространяющихся по всему миру, последствия которых в значительной степени несут сельские и часто неблагополучные общины вблизи шахт, откуда поставщики BEV получают сырье для производства аккумуляторных батарей.

    В рамках нашего исследования Артур Д. Литтл также представляет результаты двух других широко цитируемых отчетов о влиянии BEV на окружающую среду по сравнению с ICEV — «Более чистые автомобили от колыбели до могилы: как электромобили побеждают бензиновые автомобили по выбросам из-за глобального потепления. , »3 из Союза обеспокоенных ученых (UCS) и« Экологические преимущества от вождения электромобилей? »4 из Национального бюро экономических исследований (NBER). Оба этих отчета исследуют влияние BEV и ICEV на окружающую среду, и оба отчета описывают политические последствия, вытекающие из их выводов.Однако UCS и NBER приходят к совершенно разным выводам. Мы представляем их различные результаты, чтобы сформировать более широкую дискуссию и поместить наше исследование в рамки более широкой дискуссии об истинном воздействии BEV и ICEV на окружающую среду в США (см. Рисунок 4).

    Прогнозирование технологических тенденций для новых BEV и ICEV в 2025 году, Артур. Моделирование Д. Литтла показывает, что хотя разница в совокупной стоимости владения между BEV и ICEV значительно снизится по сравнению с 2015 годом, ICEV по-прежнему будут иметь экономическое преимущество в диапазоне от 5 800 до 11 100 долларов (текущая стоимость) по сравнению с BEV.С экологической точки зрения разница в потенциале глобального потепления и в потенциале токсичности для человека увеличится в 2025 году по сравнению с 2015 годом: BEV будут производить еще более низкие уровни парниковых газов по сравнению с ICEV, но они будут генерировать примерно в пять раз больше антропогенных газов. потенциал токсичности по сравнению с ICEV из-за использования более крупных аккумуляторных блоков. В сочетании с большим финансовым бременем, которое BEV возлагает на потребителя, сложная экологическая реальность BEV будет по-прежнему создавать проблемы для потребителя, ориентированного на устойчивое развитие, при выборе между автомобилем BEV или ICEV.

    Основы работы с двигателем

    Основы работы с двигателем

    Ханну Яэскеляйнен, Магди К. Хаир

    Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
    Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

    Аннотация : Поршневые двигатели внутреннего сгорания — подкласс тепловых двигателей — могут работать в четырех- и двухтактных циклах.В каждом случае двигатель может быть оборудован системой сгорания с искровым зажиганием (SI) или с воспламенением от сжатия (CI). Возможен ряд других классификаций двигателей на основе мобильности двигателя, применения, топлива, конфигурации и других параметров конструкции. Теоретически процесс сгорания можно моделировать, применяя законы сохранения массы и энергии к процессам в цилиндре двигателя. Основные конструктивные и рабочие параметры двигателей внутреннего сгорания включают степень сжатия, рабочий объем, зазор, выходную мощность, указанную мощность, термический КПД, указанное среднее эффективное давление, среднее эффективное давление торможения, удельный расход топлива и многое другое.

    Тепловые двигатели

    Определение и классификация

    Тепловые двигатели — это машины преобразования энергии — они преобразуют химическую энергию топлива в работу, сжигая топливо в воздухе для производства тепла. Это тепло используется для повышения температуры и давления рабочего тела, которое затем используется для выполнения полезной работы. Тепловые двигатели можно классифицировать как:

    1. Двигатели внутреннего сгорания, или
    2. Двигатели внешнего сгорания.

    Их также можно разделить на возвратно-поступательные и вращательные.В поршневых двигателях рабочая жидкость используется для линейного перемещения поршня. Затем поступательное движение обычно преобразуется во вращательное с помощью кривошипно-скользящего механизма (шатун / коленчатый вал). В роторном двигателе рабочая жидкость вращает ротор, соединенный с выходным валом.

    Двигатели внутреннего сгорания

    В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) рабочее тело состоит из воздуха, топливно-воздушной смеси или продуктов сгорания самой топливно-воздушной смеси.Поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением являются, пожалуй, наиболее распространенной формой известных двигателей внутреннего сгорания. Они приводят в движение автомобили, грузовики, поезда и большинство морских судов. Они также используются во многих небольших служебных приложениях. Они могут работать на жидком топливе, таком как бензин и дизельное топливо, или на газообразном топливе, таком как природный газ и сжиженный нефтяной газ. Двумя общими подкатегориями поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением являются двухтактный двигатель и четырехтактный двигатель . Примеры роторных двигателей внутреннего сгорания включают роторный двигатель Ванкеля и газовую турбину.

    Общие цели при проектировании и разработке всех тепловых двигателей включают в себя: максимизацию работы (выходную мощность), минимизацию потребления энергии и уменьшение количества загрязняющих веществ, которые могут образовываться в процессе преобразования химической энергии в работу. На рисунке 1 показаны основные узлы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Конструкция магистрального двигателя является наиболее распространенной, хотя термин «магистральный двигатель» редко используется за пределами отрасли крупных двигателей. Конструкция крейцкопфа в настоящее время используется только в больших тихоходных двухтактных двигателях.Впускные и выпускные клапаны для простоты опущены, однако стоит отметить, что в некоторых конструкциях двухтактных двигателей впускные и выпускные отверстия используются, а не клапаны.

    Рисунок 1 . Основные узлы поршневых магистральных (а) и крейцкопфных (б) двигателей

    Как двух-, так и четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания может быть оборудован системой сгорания с искровым зажиганием (SI) или воспламенением от сжатия (CI).

    Обычно системы с искровым зажиганием характеризуются предварительно смешанным зарядом (т.е.е. топливо и воздух смешиваются перед зажиганием) и внешний источник зажигания, такой как свеча зажигания. Предварительное смешивание может происходить во впускном коллекторе или в цилиндре. Хотя предварительно смешанный заряд имеет относительно однородное пространственное распределение воздуха и топлива в большинстве приложений, это распределение также может быть неоднородным. Возгорание инициируется искрой, и пламя распространяется по фронту наружу от места искры. Сгорание в двигателях SI считается кинетическим, потому что вся смесь воспламеняется, а скорость горения определяется тем, насколько быстро химическая реакция может поглотить эту смесь, начиная с источника воспламенения.

    Обычные дизельные двигатели характеризуются впрыском топлива непосредственно в цилиндр примерно в то время, когда требуется зажигание. В результате заправка воздуха и топлива в этих двигателях очень неоднородна: одни регионы являются чрезмерно богатыми, а другие — обедненными. Между этими крайностями смесь топлива и воздуха будет существовать в различных пропорциях. При впрыске топливо испаряется в этой высокотемпературной среде и смешивается с горячим окружающим воздухом в камере сгорания.Температура испаренного топлива достигает температуры самовоспламенения и самовоспламеняется, чтобы начать процесс сгорания. Температура самовоспламенения топлива зависит от его химического состава. В отличие от системы SI, сгорание в двигателях с воспламенением от сжатия может происходить во многих точках, где соотношение воздух-топливо и температура могут поддерживать этот процесс. Говорят, что основная часть процесса сгорания в двигателях с ХИ регулируется смешиванием, потому что скорость регулируется образованием воспламеняющихся смесей воздуха и топлива в камере сгорания.

    В некоторых случаях различие между модулями SI и CI может быть нечетким. В связи с необходимостью снижения выбросов и расхода топлива были разработаны системы сгорания, которые могут использовать некоторые особенности двигателей SI и CI; например, самовозгорание предварительно смешанных смесей бензина, дизельного топлива или их смеси.

    Газовые турбины, рис. 2, являются еще одним примером двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, сгорание происходит отдельно в специальной камере сгорания.

    Рисунок 2 . Микрогазовая турбина для расширителей диапазона в транспортных средствах средней и большой грузоподъемности

    (Источник: Wrightspeed Inc.)

    Двигатели внешнего сгорания

    В двигателях внешнего сгорания рабочее тело полностью отделено от топливовоздушной смеси. Тепло от продуктов сгорания передается рабочему телу через стенки теплообменника. Паровая машина — хорошо известный пример двигателя внешнего сгорания.

    Примером поршневого двигателя внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, в котором тепло добавляется к рабочему телу при высокой температуре и отводится при низкой температуре. Тепло, добавляемое к рабочему телу, может быть получено практически от любого источника тепла, такого как сжигание ископаемого топлива, дерева или любого другого органического материала.

    Цикл Ренкина, на котором основаны многие конструкции паровых двигателей, является еще одним примером двигателя внешнего сгорания. Тепло, добавляемое из внешнего источника, повышает температуру жидкости, такой как вода, до тех пор, пока она не превратится в пар, который используется для перемещения поршня или вращения турбины.Паровые двигатели приводили в движение автомобили в США с 1900 по 1916 год; однако к 1924 году они почти исчезли. Паровые грузовики были популярны в Англии до середины 1930-х годов. В то время как паровые локомотивы во многих странах постепенно заменялись тепловозами на протяжении большей части 20 -го -го века, некоторые из них оставались в эксплуатации до 21-го -го -го века. Причины прекращения использования парового двигателя в качестве основного двигателя в мобильных приложениях заключались в размере и количестве основных компонентов, необходимых для их работы, таких как печь, котел, турбина, клапаны, а также в их сложном управлении [422] .Паровая турбина, которая до сих пор работает на многих стационарных электростанциях, является примером роторного двигателя внешнего сгорания.

    В XXI веке, и годах, акцент на повышении эффективности двигателей вызвал новый интерес к циклу Ренкина для мобильных приложений — в форме рекуперации отработанного тепла (WHR). В то время как в некоторых из этих устройств используется пар, в других используются органические жидкости, которые лучше подходят для применений с относительно низкой температурой выхлопных газов транспортных средств. Из-за комбинации цикла Ренкина и органической рабочей жидкости эти системы часто называют системами рекуперации отходящего тепла с органическим циклом Ренкина (ORC).

    ###

    .