Конструкция системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания
Abstract
For the English abstract and full text of the article please see the attached PDF-File (English version follows Russian version). ABSTRACT The article proposes authors’ design to reduce the temperature of exhaust gases on the surface of pipelines of the resonator and the catalyst. To do so plates of various geometric shapes and sizes are arranged perpendicularly and (or) at an angle to their longitudinal axis, spaced apart from each other. The expediency of using this variant of modernization of the exhaust system of the internal combustion engine is supported by theoretical and experimental studies, the reliability of which is confirmed with a confidence probability of 0,95. The regression dependencies obtained give grounds for recommending their own order of regulating the rate of cooling of a pipeline that removes exhaust gases, in accordance with their initial parameters and subsequent dynamics of indicators. In addition, during the experiment it was possible to reveal the physical picture of the process of heating and cooling of a pipeline along its length. Keywords: internal combustion engine, theoretical and experimental studies, regression dependencies, cooling system, design, vehicle, temperature.Текст аннотации на англ. языке и полный текст статьи на англ. языке находится в прилагаемом файле ПДФ (англ. версия следует после русской версии). В предлагаемой конструкции для снижения температуры отработавших газов на поверхности трубопроводов резонатора и катализатора перпендикулярно и (или) под углом к их продольной оси на расстоянии друг от друга расположены пластины различной геометрической формы и размеров, которые могут чередоваться между собой. Целесообразность использования этого варианта модернизации выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания подкреплена проведёнными теоретическими и экспериментальными исследованиями, достоверность которых подтверждена с доверительной вероятностью 0,95. Полученные регрессионные зависимости дают основание рекомендовать порядок регулирования скорости остывания трубопровода, отводящего отработавшие газы, в соответствии с их исходными параметрами и последующей динамикой показателей. Кроме того, в ходе эксперимента удалось выявить физическую картину процесса нагревания и остывания трубопровода по длине
Similar works
Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания (18
Для того, чтобы понять принцип работы двигателя, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении. Давайте разберемся со всем более подробно:Смотрите также: Вся правда о полном приводе
В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.
Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.
Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.
Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Первый такт — такт впуска
Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.
Второй такт — такт сжатия
Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.
Третий такт — рабочий ход
Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.
Четвертый такт — такт выпуска
Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.
После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.
Газораспределительный механизм
Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.
Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.
Принцип работы ГРМ
Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.
Кривошипно-шатунный механизм
Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.
Устройство КШМ
Поршень
Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.
Шатун
Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.
Коленчатый вал
Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в получении усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.
Маховик
Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.
Блок и головка цилиндров
Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.
В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.
Источник: autoustroistvo.ru
Моделирование работы двигателя внутреннего сгорания на конвертерном газе
Ключевые слова: конвертерный газ, двигатель, альтернативное топливо, утилизация, мощность
Аннотация
Впервые рассмотрена возможность утилизации конвертерного газа ПАО «НЛМК» в газопоршневых агрегатах.
Представлена существующая схема работы газоотводящего тракта конверторов, и описан вариант модернизации газоотводящего тракта для сбора и очистки газа. Дан расчет работы двигателя внутреннего сгорания при работе на природном газе на номинальной нагрузке. Смоделирована работа двигателя на конвертерном газе, указаны сравнительные характеристики работы двигателя с колебаниями состава конвертерного газа.
Результаты моделирования показали, что состав газа существенно влияет на работу ДВС. Снижаются основные показатели работы, что указывает на необходимость внесения изменений в конструкцию двигателя. Моделирование колебаний состава конвертерного газа подтвердило, что на стационарном режиме работы наибольшее влияние на мощность двигателя оказывает оксид углерода, при этом увеличение доли водорода в смеси приводит к падению мощности. Сделан вывод о возможности утилизации химического потенциала конвертерного газа на газопоршневом агрегате применительно к конвертерному цеху ПАО «НЛМК».
Литература
1. Курзанов С.Ю. Повышение энергетической эффективности сталеплавильного производства на основе использования конвертерных газов: автореф. дис. …канд. техн. наук. М.: Изд-во МЭИ, 2011.
2. Лотош В.Е. Утилизация вторичных энергетических ресурсов // Ресурсосберегающие технологии. 2003.
№ 9. С. 3—18.
3. Агапитов Е.Б., Максимов А.А. Разработка схемы комбинированного производства газообразного топлива на основе конвертерного газа с целью сбережения энергетических ресурсов металлургического производства // Вопросы технических наук: новые подходы в решении актуальных проблем: Сборник науч. трудов Междунар. науч.-практ. конф. Казань, 2014.
4. Группа НЛМК — повысить мощности КЦ-2 на 19% [Электрон. ресурс] www.nlmk.com/ru/media-center/news-groups/nlmk-group-to-boost-capacity-of- steelmaking-shop-2-at-lipetsk-site-by-19-/?from=en (дата обращения 18.04.2018).
5. Расщупкин В.П., Корытов М.С. Производство стали. Методика выплавки. Омск: СибАДИ, 2007.
6. Линчевский Б.В., Соболевский А.Л., Кальменев А.А. Металлургия черных металлов. М.: Металлургия, 1986.
7. Ларионов Л.Б., Бураев М.К. Расчет процесса сгорания биогаза в газовом двигателе с искровым зажиганием, конвертированного из дизеля с наддувом // Вестник СВФУ. 2015. Т. 12. № 1. С. 52—58.
8. Карташевич А.Н., Малышкин П.Ю., Плотников С.А., Зубакин А.С. Исследования работы двигателя на альтернативных топливах // Вестник Белорусской гос. сельскохозяйственной академии. 2016. № 4. С. 115—117
9. Левтеров А.М., Левтерова Л.И., Гладкова Н.Ю. Использование альтернативных топлив в транспортных ДВС // Автомобильный транспорт. 2010. № 27. С. 61—64.
10. Европейский опыт утилизации сбросного энергопотенциала промышленных газов [Электрон. ресурс] www.cogeneration.com.ua/ru/analytics/special-gas/ hydrogen-utilization (дата обращения 21.06.2019).
11. Мысник М.И., Свистула А.Е. Анализ теплофизических свойств альтернативных топлив для двигателей внутреннего сгорания // Ползуновский вестник. 2009. № 1—2. C. 37—43.
12. Гичев Ю.А. Проектно-конструкторские решения по использованию конвертерного газа для нагрева металлолома // Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. № 5. С. 54—59.
13. Куземко Р.Д., Сущенко А.В. Улучшение теплового баланса конвертерной плавки за счет регенирации теплоты отходящих газов // Вестник Приазовского гос. техн. ун-та. Серия «Технические науки». 1998. № 6. С. 62—69.
14. Гичев Ю.А., Запотоцкая А.Ю. Tехнические решения и эффективность использования конвертерного газа для обжига известняка // Международные конференции: литье, металлургия. Запорожье: Запорожская торгово-промышленная палата, 2015.
15. Максимов А.А., Агапитов Е.Б. Совершенствование энергоэффективной схемы утилизации конвертерного газа // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: Сборник докл. IV Всерос. науч.- практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых с междунар. участием. Екатеринбург: Изд-во УрФУ, 2015. С. 101—105.
16. Дремов А.Н., Гридин С.В. Использование газов сталеплавильных конвертеров в качестве вторичных энергоресурсов // Металлургия XXI столетия глазами молодых: Сборник докл. Всеукр. науч.-практ. конф. студентов. Донецк: Изд-во ДонНТУ, 2013. С. 143—144.
17. Сталинский Д.В. и др. Пути повышения эффективного использования вторичных энергоресурсов (топливных газов) металлургического производства // Экология и промышленность. 2010. № 3. С. 71—75.
18. Баптизмаиский В.И., Меджибожский М.Я., Охотский В.Б. Конвертерные процессы производства стали. Теория, технология, конструкции агрегатов. Киев: Высшая школа, 1984.
19. Руководство по ремонту двигателей Caterpillar [Электрон. ресурс] www.truckmanualshub.com/caterpillar- workshop-manuals-pdf (дата обращения 21.06.2019).
20. Кулманаков С.П., Кулманаков С.С. Тепловой расчет ДВС. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2014.
21. Шароглазов Б.А., Шишков В.В. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчет процессов. Челябинск: Издат. центр ЮУрГУ, 2011.
22. Ситтинг М. Процессы окисления углеводородного сырья. М.: Химия, 1970.
23. Калимуллин Р.Ф., Горбачев С.В., Филиппов А.А. Тепловой расчет автомобильных газовых двигателей: методические указания к курсовому проектированию. Оренбург: Изд-во ГОУ ОГУ, 2007.
—
Для цитирования: Губарев В.Я., Спасибин А.Ю. Моделирование работы двигателя внутреннего сгорания на конвертерном газе // Вест- ник МЭИ. 2019. № 6. С. 50—57. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-50-57.
#
1. Kurzanov S.Yu. Povyshenie Energeticheskoy Effektivnosti Staleplavil’nogo Proizvodstva na Osnove Ispol’zovaniya Konverternykh Gazov: Avtoref. Dis. … Kand. Tekhn. Nauk. M.: Izd-vo MEI, 2011. (in Russian).
2. Lotosh V.E. Utilizatsiya Vtorichnykh Energeticheskikh Resursov. Resursosberegayushchie Tekhnologii. 2003;9:3—18. (in Russian).
3. Agapitov E.B., Maksimov A.A. Razrabotka Skhemy Kombinirovannogo Proizvodstva Gazoobraznogo Topliva na Osnove Konverternogo Gaza s Tsel’yu Sberezheniya Energeticheskikh Resursov Metallurgicheskogo Proizvodstva. Voprosy Tekhnicheskikh Nauk: Novye Podkhody V Reshenii Aktual’nykh Problem: Sbornik Nauch. Trudov Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Kazan’, 2014. (in Russian).
4. Gruppa NLMK — Povysit’ Moshchnosti KTS-2 na 19% [Elektron. Resurs] www.nlmk.com/ru/media-center/news-groups/nlmk-group-to-boost-capacity-of-steelmaking-shop-2-at-lipetsk-site-by-19-/?from=en (Data Obrashcheniya 18.04.2018). (in Russian).
5. Rasshchupkin V.P., Korytov M.S. Proizvodstvo Stali. Metodika Vyplavki. Omsk: SibADI, 2007. (in Russian).
6. Linchevskiy B.V., Sobolevskiy A.L., Kal’menev A.A. Metallurgiya Chernykh Metallov. M.: Metallurgiya, 1986. (in Russian).
7. Larionov L.B., Buraev M.K. Raschet Protsessa Sgoraniya Biogaza v Gazovom Dvigatele s Iskrovym Zazhiganiem, Konvertirovannogo iz Dizelya s Nadduvom. Vestnik SVFU. 2015;12;1:52—58. (in Russian).
8. Kartashevich A.N., Malyshkin P.Yu., Plotnikov S.A., Zubakin A.S. Issledovaniya Raboty Dvigatelya na Al’ternativnykh Toplivakh. Vestnik Belorusskoy Gos. Sel’skokhozyaystvennoy Akademii. 2016;4:115—117 (in Russian).
9. Levterov A.M., Levterova L.I., Gladkova N.Yu. Ispol’zovanie Al’ternativnykh Topliv v Transportnykh DVS. Avtomobil’nyy transport. 2010;27:61—64. (in Russian).
10. Evropeyskiy Opyt Utilizatsii Sbrosnogo Energopotentsiala Promyshlennykh Gazov [Elektron. Resurs] www.cogeneration.com.ua/ru/analytics/special-gas/hydrogen-utilization (Data Obrashcheniya 21.06.2019). (in Russian).
11. Mysnik M.I., Svistula A.E. Analiz Teplofizicheskikh Svoystv Al’ternativnykh Topliv Dlya Dvigateley Vnutrennego Sgoraniya. Polzunovskiy Vestnik. 2009;1—2: 37—43. (in Russian).
12. Gichev Yu.A. Proektno-konstruktorskie Resheniya po Ispol’zovaniyu Konverternogo Gaza dlya Nagreva Metalloloma. Sovremennaya Nauka: Issledovaniya, Idei, Rezul’taty, Tekhnologii. 2013;5:54—59. (in Russian).
13. Kuzemko R.D., Sushchenko A.V. Uluchshenie Teplovogo Balansa Konverternoy Plavki za Schet Regeniratsii Teploty Otkhodyashchikh Gazov. Vestnik Priazovskogo Gos. Tekhn. Un-ta. Seriya «Tekhnicheskie Nauki». 1998;6:62—69. (in Russian).
14. Gichev Yu.A., Zapototskaya A.Yu. Tekhnicheskie Resheniya i Effektivnost’ Ispol’zovaniya Konverternogo Gaza dlya Obzhiga Izvestnyaka. Mezhdunarodnye Konferentsii: Lit’e, Metallurgiya. Zaporozh’e: Zaporozhskaya Torgovo-promyshlennaya Palata, 2015. (in Russian).
15. Maksimov A.A., Agapitov E.B. Sovershenstvovanie Energoeffektivnoy Skhemy Utilizatsii Konverternogo Gaza. Teplotekhnika i Informatika v Obrazovanii, Nauke i Proizvodstve: Sbornik Dokl. IV Vseros. Nauch.- prakt. Konf. Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh s Mezhdunar. Uchastiem. Ekaterinburg: Izd-vo UrFU, 2015:101—105. (in Russian).
16. Dremov A.N., Gridin S.V. Ispol’zovanie Gazov Staleplavil’nykh Konverterov v Kachestve Vtorichnykh Energoresursov. Metallurgiya XXI Stoletiya Glazami Molodykh: Sbornik Dokl. Vseukr. Nauch.-prakt. Konf. Studentov. Donetsk: Izd-vo DonNTU, 2013:143—144. (in Russian).
17. Stalinskiy D.V. i dr. Puti Povysheniya Effektivnogo Ispol’zovaniya Vtorichnykh Energoresursov (Toplivnykh Gazov) Metallurgicheskogo Proizvodstva. Ekologiya i Promyshlennost’. 2010;3:71—75. (in Russian).
18. Baptizmaiskiy V.I., Medzhibozhskiy M.Ya., Okhotskiy V.B. Konverternye Protsessy Proizvodstva Stali. Teoriya, Tekhnologiya, Konstruktsii Agregatov. Kiev: Vysshaya Shkola, 1984. (in Russian).
19. Rukovodstvo po Remontu Dvigateley Caterpillar [Elektron. Resurs] https://truckmanualshub.com/caterpillar-workshop-manuals-pdf (Data Obrashcheniya 21.06.2019). (in Russian).
20. Kulmanakov S.P., Kulmanakov S.S. Teplovoy Raschet DVS. Barnaul: Izd-vo AltGTU, 2014. (in Russian).
21. Sharoglazov B.A., Shishkov V.V. Porshnevye Dvigateli: Teoriya, Modelirovanie i Raschet Protsessov. Chelyabinsk: Izdat. Tsentr YUUrGU, 2011. (in Russian).
22. Sitting M. Protsessy okisleniya uglevodorodnogo syr’ya. M.: Khimiya, 1970. (in Russian).
23. Kalimullin R.F., Gorbachev S.V., Filippov A.A. Teplovoy Raschet Avtomobil’nykh Gazovykh Dvigateley: Metodicheskie Ukazaniya k Kursovomu Proektirovaniyu. Orenburg: Izd-vo GOU OGU, 2007. (in Russian).
—
For citation: Gubarev V.Ya., Spasibin A.Yu. Simulating the Operation of an Internal Combustion Engine on Converter Waste Gas. Bulletin of MPEI. 2019;6:50—57. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-6-50-57.
Причины и признаки неисправности двигателя автомобиля
Двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС) устанавливается на автомобили более 100 лет. За это время, агрегат прошел длительный путь развития. В настоящее время конструкция ДВС усовершенствовалась настолько, что позволяет совместить высокую эффективность с надежностью, долговечностью.
Но нет ничего вечного, и со временем мотор приходит в негодность. Принцип действия двигателя практически не изменился, соответственно, остались такими же, как и раньше, характерные неисправности.
Чтобы ДВС отработал положенный ему срок без серьёзных поломок, важно своевременно обнаружить и устранить возникшие неисправности. Не всегда существует возможность провести полноценную диагностику состояния двигателя силами технических центров, оснащенных профессиональным оборудованием. Водитель должен обладать умением оценить состояние мотора по косвенным признакам, которые проявляются при возникновении неисправностей.
Основные признаки неисправности двигателя
Ресурс современных двигателей колеблется в больших пределах. Высокофорсированные моторы служат не более 150 тыс. км, тогда как дизели на многотонных тягачах способны пройти 1 млн. км и более до капитального ремонта. Этот пробег сильно зависит от условий эксплуатации. На состояние двигателя оказывает влияние следующие факторы:
- использование некачественных горюче-смазочных материалов;
- эксплуатация в тяжелых условиях;
- агрессивный стиль езды;
- выход температуры двигателя за допустимые пределы;
- несоблюдение межсервисных интервалов.
Мотор не приходит в неисправное состояние сразу. Он заводится, работает, но со временем всё громче и громче заявляет о том, что в скором времени потребуется диагностика и замена выработавших ресурс деталей, а то и капитальный ремонт двигателя или его замена в сборе. Чем раньше водитель уловит признаки неисправностей, тем легче и дешевле будет сделать ремонт. Несвоевременное вмешательство приводит к появлению новых поломок, двигатель приходит в негодное состояние.
Насторожить должны характерные признаки, проявляющиеся только в неисправных моторах.
Потеря динамики разгона
Со временем ДВС теряет мощность, соответственно, автомобиль хуже разгоняется, потребляет больше топлива. Если снижение динамики – результат естественного износа двигателя, то это нормальное явление. Вмешиваться необходимо, когда потеря мощности достигает 20 % и более. Не почувствовать это сложно.
Помимо износа ДВС, на динамику разгона влияет масса других неисправностей:
- выход из строя, некорректная работа систем питания и зажигания;
- использование некондиционного топлива;
- неисправности трансмиссии, например когда пробуксовывает сцепление.
- высокое противодавление выхлопных газов в выпускном тракте, вызванное забитым катализатором.
Существует множество других причины потери динамики, но в любом случае это повод для вмешательства. Без диагностики тут не обойтись.
Чрезмерный расход масла
Расход смазочных материалов в двигателе внутреннего сгорания у разных автомобилей может существенно различаться. В каких-то моделях расход 1 л масла на 1000 км считается нормой. Другие, когда находятся в исправном состоянии, не требуют долива от замены до замены. Причин повышенного расхода масла несколько:
- износ цилиндро-поршневой группы;
- выход из строя маслосъемных колпачков;
- закоксовывание канала вентиляции картера, а также другие причины.
При попадании масла в камеру сгорания выхлоп приобретает синеватый, сизый цвет. Во всех случаях необходимо оперативно установить и устранить причину чрезмерного потребления смазочных материалов.
Низкое давление масла
Во всех автомобилях на панели приборов имеется контрольный индикатор, сигнализирующий о том, что давление смазочной жидкости ниже нормы. При срабатывании сигнализатора необходимо немедленно заглушить двигатель и устранить причину.
Недостаточное давление может быть вызвано как элементарной нехваткой масла, забившимся фильтром, так и серьезными поломками, в числе которых выход из строя масляного насоса, засорение масляных каналов, разжижение масла антифризом через пробитую прокладку головки блока. Это самые распространенные причины падения давления масла.
Неустойчивая работа на холостом ходу
Исправный двигатель во всех режимах работает ровно и мягко, чего не скажешь об изношенном моторе. Неровный холостой ход может быть вызван разными причинами, такими как:
- пропуски зажигания, вызванные изношенными свечами, неисправными катушками зажигания;
- загрязненные или неисправные форсунки;
- низкое давление топлива;
- подсос воздуха.
Такие неисправности оказывают серьезное влияние на работоспособность двигателя, но не являются критическими. Поводом для серьезного беспокойства должна стать неустойчивая работа двигателя, вызванная разбросом компрессии по цилиндрам из-за неравномерного износа цилиндро-поршневой группы, негерметичных клапанов.
Нагар на свечах
Свечи для опытного водителя являются своеобразным индикатором состояния двигателя. Матово белый цвет электродов свидетельствует о попадании антифриза в камеру сгорания. Темный зернистый налет вызван попаданием на свечи масла. Черный нагар образуется при переобогащении топливо-воздушной смеси. Попадание антифриза или масла в камеру сгорания – серьезная неприятность, в некоторых случаях требующая капитального ремонта мотора.
Перегрев двигателя
Чрезвычайно важно внимательно следить за температурой охлаждающей жидкости, информация о которой выводится на панель приборов. Перегрев мотора в большинстве случаев приводит к тяжелым последствиям, для устранения которых потребуется капитальный ремонт. Само по себе это явление может быть вызвано неисправной системой охлаждения, тяжелыми условиями эксплуатации, сильной жарой. Но когда все агрегаты работают исправно, а двигатель перегревается без видимых причин, наверняка сильно изношена поршневая группа. Такой перегрев сопровождается детонационными стуками, автомобиль отказывается нормально ехать, сильно теряет мощность.
Появление признаков некорректной работы двигателя — повод для немедленного вмешательства. Современные ДВС имеют сложную конструкцию, и самостоятельно можно только уловить косвенные признаки неисправностей. Точный ответ о состоянии двигателя даст комплексная диагностика двигателя, включающая в себя проверку электронной системы управления, электрооборудования, навесных агрегатов.
Когда VR — это тип двигателя. Базовое погружение в мир автомобильных ДВС — Mafin Media
Как нетрудно догадаться по буквенному обозначению, W-образный двигатель представляет собой два «спаянных» V-образника. Основное ноу-хау этих моторов то же, что и у V-образных: повышение мощности без существенного увеличения размеров мотора. Как правило, такие моторы вмещают от 8 до 16 цилиндров, хотя это не предел. Встречаются они еще реже, чем V-образные: ремонт трудоемок, а стоимость изготовления велика.
Кстати, первый W-образный автомобильный (авиация не считается) двигатель тоже изобрел Volkswagen: это был W-8, то есть восьмицилиндровый мотор. В конце прошлого века концерн Volkswagen купил Bugatti, и первым сердцем суперкара Veyron стал уже W-16, развивающий сумасшедшие по гражданским меркам 1 000 лошадиных сил.
Оппозитный двигатель
Разработка оппозитного (от англ. opposite — диаметрально противоположный) двигателя — продолжение темы увеличения мощности без особого увеличения самого ДВС. Так появились не только все моторы, про которые было рассказано выше, но и широко известный в узких кругах оппозитный двигатель, или «боксер». Ассоциация с контактным видом спорта возникла не просто так: в оппозитнике угол развала цилиндров — 180 градусов. Проще говоря, поршни движутся «навстречу» друг другу, как кулаки сражающихся спортсменов. Хотя оппозитный мотор позволяет снизить центр тяжести и таким образом повысить устойчивость автомобиля, он, как и любое современное технологичное изобретение, требователен к обслуживанию. Сегодня эти двигатели известны в первую очередь по Subaru и Porsche, хотя их применяли и на гораздо более массовом автомобиле Volkswagen Beetle, выпускавшемся с конца 1930-х годов.
Роторно-поршневой двигатель — РПД
Этот тип мотора, прозванный по имени своего создателя двигателем Ванкеля, имеет принципиально отличную от уже знакомых нам поршневых моторов конструкцию. Привычного поршня, двигающегося условно вверх-вниз, здесь нет: вместо него по сложной оси вращается ротор, который и выполняет функцию поршня. Внешне эта деталь представляет собой треугольник Рело, встречавшийся еще в трудах Леонардо да Винчи.
Треугольник ротора «вешается» на так называемый эксцентриковый вал и помещается в овальную камеру сгорания, где возгорание топливно-воздушной смеси заставляет его вращаться и выдавать механическую энергию. Интересно, что механизм газораспределения, или всем нам знакомые ремень ГРМ и клапаны, здесь отсутствует.
Основное преимущество этой конструкции — высокие рабочие обороты (8–-9 тысяч оборотов коленчатого вала в минуту — RPM, или rounds per minute), позволяющие снять даже с небольшого объема в 1,3 литра 200 и больше лошадиных сил. Для сравнения: атмосферные поршневые двигатели такого объема обычно не развивают и 100. Минусы ротора — высокий расход топлива, невысокая экологичность выхлопа и требовательность к эксплуатации вкупе с не самой высокой надежностью. Как говорится, просто так ничего не бывает, и мощность — не исключение. Хотя роторы экспериментально ставились даже на ВАЗ 2103, они больше известны по детищу японской фирмы Mazda, модели RX-8, выпускавшейся с 2003 по 2012 год:
Устройство двигателя. Принцип работы ДВС
Общее устройство ДВС:
Двигатель состоит из цилиндра 5 и картера 6, который снизу закрыт поддоном 9 (рис. а). Внутри цилиндра перемещается поршень 4 с компрессионными (уплотнительными) кольцами 2, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец 3 и шатун 14 связан с коленчатым валом 8, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек 13, щек 10 и шатунной шейки 11. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала (рис. б).
Схема устройства поршневого двигателя внутреннего сгорания:
а — продольный вид, б — поперечный вид; 1 — головка цилиндра, 2 — кольцо,
3 — палец, 4 — поршень, 5 — цилиндр, 6 — картер, 7 — маховик, 8 — коленчатый вал,
9 — поддон, 10 — щека, 11 — шатунная шейка, 12 — коренной подшипник, 13 — коренная шейка,
14 — шатун, 15, 17- клапаны, 16 — форсунка
Сверху цилиндр 5 накрыт головкой 1 с клапанами 15 и 17, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, следовательно, и с перемещением поршня.
Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю: верхней мертвой точкой (ВМТ), соответствующей наибольшему удалению поршня от вала (рис. б), и нижней мертвой точкой (НМТ), соответствующей наименьшему удалению его от вала.
Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком 7, имеющим форму диска с массивным ободом.
Расстояние, проходимое поршнем, между мертвыми точками называется ходом поршня S, а расстояние между осями коренных и шатунных шеек — радиусом кривошипа R (рис. б). Ход поршня равен двум радиусам кривошипа: S = 2R. Объем, который описывает поршень за один ход, называется рабочим объемом цилиндра (Vh):
Vh = (πD²S) / 4
Объем над поршнем (Vc) в положении ВМТ (рис. а) и называется объемом камеры сгорания. Сумма рабочего объема цилиндра (Vh) и объема камеры сгорания (Vc) составляет полный объем цилиндра (Va):
Va = Vh + Vc
Отношение полного объема цилиндра (Va) к объему камеры сгорания (Vc) называется степенью сжатия (е):
е = Va / Vc
Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность.
Принцип работы ДВС:
Схема работы двигателя
Практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:
- Такт впуска — впускается топливо-воздушная смесь
- Такт сжатия — смесь сжимается и поджигается
- Такт расширения — смесь сгорает и толкает поршень вниз
- Такт выпуска — продукты горения выпускаются
Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла, такт впуска.
Во время второго такта, такта сжатия, поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.
Третий такт, такт расширения — это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.
Четвертый такт, такт выпуска, поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему. После этого цикл, начиная с первого такта, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания — элемента, который поджигает топливо. Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600 градусов Цельсия. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
лабораторий двигателей внутреннего сгорания | Двигатели внутреннего сгорания | Машиностроение
Лаборатория 1: Разборка и сборка двигателей
ПРИМЕЧАНИЕ. Все должны носить защитные очки.
Цель этого занятия — получить некоторый практический опыт в механических аспектах двигателя. Вы должны изучить механическую конструкцию двигателя, расположение различных компонентов и почувствовать размер и вес компонентов. Важно знать цифры.Взвесьте и измерьте компоненты. Поскольку необходимо измерить множество чисел, разделите команду так, чтобы один человек отвечал за измерение конкретного компонента (например, поршня). Затем результаты можно было собрать и раздать всем.
Есть два двигателя: оба 4-цилиндровые 16-клапанные двигатели SI для компактных автомобилей. Оба двигателя имеют впрыск топлива по каналам.
Класс будет разделен на две группы; каждая группа отвечает за разборку одного двигателя.Однако весь класс должен участвовать в первоначальном «осмотре» каждого двигателя в целом и окончательном изучении всех частей обоих двигателей.
Перед разборкой осмотрите двигатели в целом, обратите внимание на расположение различных компонентов, контура газообмена: впускной, выпускной, системы рециркуляции отработавших газов (EGR) и принудительной вентиляции картера (PCV); контур охлаждающей жидкости; контур подачи топлива. Разберитесь в функциях этих компонентов.
Когда двигатель открыт, посмотрите на расположение клапанного механизма, контур смазки, путь рециркуляции отработавших газов, канал охлаждающей жидкости и устройство противовеса поршень / кривошип.
Запишите следующее в форму записи измерения. Группа может совместно использовать результаты измерений, но комментарии и расчеты должны выполняться каждым индивидуально.
Измерьте длину впускного коллектора и размер коллектора (эти значения не должны быть точными; они должны дать вам представление о типичных числах). Вычислите частоту органной трубы (длина волны = 4 x длина рабочего колеса) первого и отношение второго к объему вытеснения.
Измерьте диаметр отверстия, ход и длину шатуна.
Измерьте массу и размеры поршня (см. Рисунок ниже). (Почему значения B 1 , B 2 , B 3 и B s отличаются?) Оцените силу инерции, необходимую для перемещения поршня при 6000 об / мин. Оцените температуру, при которой верхняя площадка (диаметр B 1 ) будет касаться гильзы, которая поддерживается охлаждающей жидкостью, на уровне 100 o C.
Измерьте диаметры клапана и подъемы. (Последнее может быть получено из измерений кулачка.) Почему диаметры впускного и выпускного клапана различаются?
Измерьте массу клапана. Оцените усилие пружины, необходимое для работы при 1000 и 6000 об / мин.
Форма заключительной записи измерений с комментариями и результатами расчетов (PDF)
Лаборатория 2: Измерения производительности двигателя и выбросов
Инструкция по измерению рабочих характеристик двигателя и выбросов (PDF)
Будущее конструкции двигателей внутреннего сгорания: 5 тенденций на 2020 год
Изобретение двигателя внутреннего сгорания (IC) стало благом для транспорта, повышения эффективности и всего остального Америки.Но по мере того, как технологии ИС стареют, а экологические проблемы усиливаются, на их место стремятся альтернативы.
Как автопроизводители, так и потребители обдумывают будущее производства двигателей внутреннего сгорания и рассматривают , что заменит двигатель внутреннего сгорания, или какие детали были задействованы в порошковой металлургии (ПМ).
Подумайте, где в двигателе использовались PM. Достижения включают в себя самосмазывающиеся направляющие клапана, шатуны, регулировку фаз газораспределения и так далее.
Если посмотреть на предысторию того, что привело нас сюда, а также на новые проблемы эффективности и защиты окружающей среды, которые может помочь решить порошковый металл, это урок, который нельзя пропустить ни одному OEM-инженеру.
Будущее конструкции двигателей внутреннего сгорания
Откройте изображение в новой вкладке, чтобы увидеть полную версию этой инфографики:
1. Ограничения на выбросы CO2
Глобальный углеродный проект сообщил, что выбросы углерода во всем мире достигли рекордно высокого уровня в 2018 году, и ожидается, что в 2019 году их количество снова увеличится.
Агентство по охране окружающей среды опубликовало рекомендации по выбросам парниковых газов для легковых и грузовых автомобилей, при этом Фаза 2 затрагивает модельные годы до 2025 года. Хотя Агентство по охране окружающей среды, похоже, переосмысливает некоторые рекомендации, по-прежнему политическая и экологическая атмосфера способствует повышению эффективности двигателей внутреннего сгорания. , больше, чем потребительский спрос.
Независимо от того, согласны ли инженеры и руководители лично с изменениями в воздухе, отрасль неуклонно движется в этом направлении.
2. Как повысить эффективность выбросов двигателя внутреннего сгорания?
Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии сообщает, что производители снизили выбросы загрязняющих веществ более чем на 99% за последние 30 лет. Творческие умы достигли этого, сохранив или увеличив экономию топлива.
Помимо бензина и дизельного топлива, производители изучают другие способы увеличения экономии топлива:
- Использование биодизеля
- Использование других альтернативных или возобновляемых видов топлива
- Комбинирование двигателей внутреннего сгорания с гибридными электрическими силовыми агрегатами
3.Дизельные двигатели против. Традиционные бензиновые двигатели
Когда европейцы перешли с дизельных автомобилей на бензиновые, произошло соответствующее увеличение выбросов углекислого газа. Неожиданным поворотом стало то, что некоторые из сегодняшних автомобильных стратегий основаны на дизельных двигателях.
Многие большие дизельные грузовики на самом деле производят меньше выбросов CO2, чем небольшие газовые автомобили, свидетельствуют отчеты. Благодаря усовершенствованным технологиям были произведены дизельные двигатели, которые могут использоваться в автомобилях меньшего размера и обеспечивать:
- Лучше расход бензина
- Снижение выбросов углерода
- Больший крутящий момент
- Двигатель с более длительным сроком службы
4.Конкуренция с электрическими двигателями
Вы знали, что это произойдет. Хотя бензиновые двигатели, похоже, не исчезнут полностью, они сталкиваются с жесткой конкуренцией со стороны своих электрических конкурентов.
В то время как некоторые видят будущее за электромобилями, даже BMW пока не отказывается от двигателей внутреннего сгорания.
Единственное, что опоры двигателей IC могли повесить над головами сторонников электричества, — это их аккумулятор. В частности, это:
- Размер
- Стоимость
- Долговечность
- Возможности зарядки или их отсутствие
Тем не менее, согласно прогнозам, цены на электромобили будут конкурентоспособными уже в 2022 году, поскольку стоимость аккумуляторов резко упадет.Когда-то батарея составляла около 50% стоимости автомобиля, но к 2025 году она может упасть с до 20% и до . Эти сокращения, безусловно, происходят быстрее, чем ожидал рынок.
Опасения по поводу дальности полета в будущем для электромобилей не так важны. Технология развивается, и появляется все больше зарядных станций. «Беспокойство о запасе хода» (опасения потребителей, что им негде подзарядить аккумулятор) по-прежнему остается реальной проблемой, которую OEM-производителям все еще необходимо решить.
5.Порошковая металлургия поддерживает переход к экологичной модели
Порошковая металлургия становится все более важным фактором при проектировании компонентов двигателей, нравится это разработчикам двигателей внутреннего сгорания или нет.
«Зеленая» технология — порошковая металлургия — идет рука об руку с экологичным автомобилем будущего. Спеченные магнитомягкие материалы с более высокой плотностью обеспечивают невиданный ранее рост производительности. Возможно, вы слышали историю о металлическом порошке раньше, но эти новые материалы отличаются от материалов Standard 35, на которые производители полагались на протяжении десятилетий.
Стандарт 35MPIF является отличной базой для производителей порошковой металлургии, но для ваших будущих проектов могут потребоваться материалы и процессы, которые превосходят «стандартные» уровни производительности. В некоторых случаях можно даже исключить компонент из сборки , спроектировав с использованием металлического порошка.
Современная передовая технология уплотнения может быть немного дороже вначале, но в долгосрочной перспективе она может значительно сэкономить производителям (и водителям).
Многие компоненты можно преобразовать в металлический порошок.Порошковая металлургия добилась больших успехов в создании мелких деталей для электродвигателей и других автозапчастей по многим причинам:
- Уменьшает вес
- Повышает КПД электродвигателя, включая улучшенные магнитные свойства.
- Создает детали в форме сетки
- Позволяет использовать современные материалы и процессы
- Повышенная прочность и твердость
В частности, магнитомягкие композитные материалы являются лидером в создании сверхэффективного электродвигателя.
Порошковая металлургия — это больше не просто стержни и заглушки!
Куда вы пойдете дальше?
Современные услуги порошковой металлургии позволяют плавно перейти от традиционной конструкции двигателей внутреннего сгорания к более эффективным и экологически безопасным двигателям будущего. Это стало возможным благодаря развитию PM-материалов (как вы найдете ниже) и процессов (например, спекания).
Конечно, внутренние двигатели будут еще долгое время.Металлический порошок по-прежнему может принести значительные преимущества и двигателям внутреннего сгорания.
Если вы хотите увидеть, как новые материалы и процессы порошковой металлургии меняют мир двигателей, посетите наш ресурсный центр по электродвигателям:
Связанные ресурсы
(Примечание редактора: эта статья была первоначально опубликована в сентябре 2019 года и недавно была обновлена.)
Новая конструкция двигателя внутреннего сгорания обеспечивает нулевые вредные выбросы
Исследователи из Политехнического университета Валенсии (UPV) разработали новый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который не выделяет углекислый газ и другие газы, вредные для здоровья людей.
По словам его создателей, это «революционный» двигатель, который не только соответствует нормативам по выбросам, запланированным на 2040 год, но и обладает высоким КПД. Первые два прототипа этого двигателя будут построены в ближайшие месяцы при финансовой поддержке Валенсийского агентства по инновациям.
Технология, используемая в новой конструкции ДВС, основана на использовании керамических мембран MIEC. Запатентованные Институтом химической технологии, объединяющим центром UPV и CSIC, эти мембраны удаляют все загрязняющие и вредные для здоровья газы (NOx), улавливая собственный CO2 и CO2 в окружающей среде и сжижая его.
«Эти мембраны, включенные в двигатель транспортного средства, позволяют избирательно отделять кислород от воздуха, чтобы произвести кислородное горение. Таким образом, образуется чистый горючий газ, состоящий из воды и CO2, который можно улавливать внутри автомобиля и хранить, не выбрасывая его из выхлопной трубы », — пояснил Хосе Мануэль Серра, исследователь ITQ (UPV-CSIC). .
Технология, разработанная исследовательской группой UPV, может позволить получить двигатель с автономностью и способностью заправки топливом, как у обычного ДВС, но с тем преимуществом, что он будет полностью чистым и без каких-либо загрязняющих веществ или выбросов парникового эффекта, как у электрического двигателя. автомобильные двигатели.
С помощью этой технологии автомобиль также может стать поставщиком CO2. Как объясняют исследователи, в обычном двигателе после кислородного горения в выхлопной трубе образуется большое количество азота и оксидов азота. Однако в случае этой новой конструкции двигателя образуется только очень высокая концентрация CO2 и воды, которые могут быть легко отделены путем конденсации.
«Этот CO2 сжимается внутри двигателя и хранится в резервуаре высокого давления, который может быть возвращен в качестве побочного продукта непосредственно в виде чистого высококачественного CO2 на станции обслуживания для промышленного использования.Таким образом, внутри автомобиля у нас будет один бак для топлива, а другой — для CO2, который образуется после сжигания топлива и из которого мы могли бы извлечь пользу », — сказал Луис Мигель Гарсиа-Куэвас.
Технология предназначена для производителей крупногабаритных транспортных средств для перевозки пассажиров и грузов как по суше, так и по морю, а также для авиации до определенного уровня мощности. Кроме того, его также можно использовать для преобразования существующих дизельных двигателей в специальные автомобили.
«В случае небольших транспортных средств это также может быть применено путем изолирования только части CO2 в выхлопных газах», — сказал Франсиско Хосе Арнау, научный сотрудник CMT-Thermal Motors UPV.
В настоящее время команда конструирует два прототипа в лабораторном масштабе этой «революционной системы для автомобильного сектора».
«Положительная оценка и финансирование Валенсийского агентства по инновациям означает возможность вывести концепцию на высокий уровень технологического развития. Благодаря этому можно будет привлечь внимание частных инвесторов, которые захотят получить лицензию на патент или выделить дополнительные средства, чтобы сделать эти двигатели реальностью, что изменит парадигму борьбы с изменением климата с точки зрения транспорта », сказал Хосе Рамон Серрано, исследователь CMT-Thermal Motors UPV.
Подпишитесь на электронную рассылку новостей E&T, чтобы получать такие отличные новости, как эта, каждый день на свой почтовый ящик.
Разработка и применение новых систем сгорания для двигателей внутреннего сгорания
В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие струи с стенкой, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном итоге, на характеристики двигателя и характеристики выбросов. Итак, система сгорания двигателя, включая конструкцию ГБЦ, топливную форсунку…
В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие струи с стенкой, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном итоге, на характеристики двигателя и характеристики выбросов. Таким образом, система сгорания двигателя, включая конструкцию головки блока цилиндров, параметры топливной форсунки, конфигурацию форкамеры и форму чаши поршня, должна быть оптимизирована, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать выбросы загрязняющих веществ.
Разработка и оптимизация систем сгорания основаны на моделировании системного уровня для установления граничных условий; он включает в себя как моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), так и испытания двигателя. Для заданного набора проектных параметров системы сгорания и для заданных условий эксплуатации CFD-моделирование предсказывает такие аспекты рабочего цикла, как КПД или выбросы загрязняющих веществ. Все более мощные компьютерные кластеры и даже суперкомпьютеры могут оценивать множество комбинаций проектных параметров при любом количестве рабочих условий.Методы оптимизации включают, помимо прочего, разработку экспериментов, генетические алгоритмы и общие методы машинного обучения. Наиболее многообещающие конструкции дорабатываются с экспериментами с двигателями для реализации ожидаемого потенциала эффективности.
Хотя моделирование CFD является бесценным инструментом и успешно способствовало разработке экологически чистых, эффективных двигателей, неясно, как продолжение текущих практик может привести к дальнейшим улучшениям в конструкции системы сгорания.Например, несколько аспектов конструкции системы сгорания могут влиять на поток в цилиндре, и часто оптимум достигается без понимания того, были ли геометрия или другие конструктивные особенности ответственны за полезные улучшения потока. В более широком смысле, физические механизмы, которые отличают успешный набор геометрических параметров от неудачного, недостаточно изучены, и очень большие объемы результатов моделирования CFD редко используются для обеспечения этого понимания. Кроме того, передовые стратегии сгорания, такие как воспламенение бензина от сжатия и предкамерное сгорание, показали потенциал для чистого и эффективного сгорания.Разработка геометрии поршня для таких концепций двигателей находится в зачаточном состоянии, поэтому потенциал для улучшения может быть относительно большим. Текущая тема исследований сосредоточена на улучшенных конструкциях систем сгорания и новых подходах к их разработке и оптимизации для снижения расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ для различных концепций сгорания двигателей.
Вклады в эту тему исследования включают рукописи, описывающие достижения в проектировании систем сгорания как для обычных, так и для усовершенствованных режимов сгорания как для обычных, так и для альтернативных архитектур двигателей.К ним относятся:
• Новые подходы или алгоритмы к проектированию и оптимизации геометрии портов, параметров форсунок топливных форсунок, конфигураций форкамеров и формы чаши поршня
• Экспериментальные и / или численные исследования новых конструкций систем сгорания и их влияние на эффективность и выбросы
Изображение на обложке предоставлено: д-р Анки Чжан из Aramco Americas, Исследовательский центр Aramco — Детройт.
Тематический редактор Юаньцзян Пей работает в компании Aramco Americas.Все остальные тематические редакторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов в отношении темы исследования.
Ключевые слова : Двигатели внутреннего сгорания, система сгорания, оптимизация конструкции, вычислительная гидродинамика, движение воздуха
Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись за пределами области охвата в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.
Разъяснение конструкции нового двухтактного двигателя
С каждым днем на горизонте появляется все больше и больше новых электромобилей, и будущее двигателей внутреннего сгорания кажется темнее. Но этот новый тип сверхэффективного двигателя может продержаться еще немного.
Road & Track Участник Джейсон Фенске разбирает новый дизайн, опубликованный Обществом автомобильных инженеров, в новом видео для своего канала YouTube «Engineering Explained».Несмотря на то, что в нем используются поршни и топливо, его конструкция не похожа ни на один другой традиционный двигатель внутреннего сгорания, который используется сегодня на дорогах.
В отличие от обычного двигателя внутреннего сгорания, в котором одна и та же камера используется для сжатия, смешивания и сжигания топливовоздушной смеси, входное зажигание распределяет работу между тремя разными камерами. Первый, оснащенный поршнем, сжимает воздух для создания давления и нагрева. Затем он отправляет сжатый воздух в резервуар, который поступает в другое пространство, где сжатый воздух смешивается с топливом.Затем эта горячая топливно-воздушная смесь всасывается в другую камеру с помощью скользящего клапана, где из-за тепла внутри цилиндра она воспламеняется (без использования свечи зажигания). Вот откуда взялось название «зажигание».
Это много для переваривания, мы знаем. Фенске объясняет это более подробно в видео выше. Поскольку конструкция обеспечивает такты впуска и сгорания одновременно (помните, в разных цилиндрах), технически это двухтактный двигатель. Этот метод обеспечивает более высокую степень сжатия и более обедненное соотношение воздух-топливо, обеспечивая теоретический тепловой КПД 63 процента — на 14 процентов лучше, чем у обычного традиционного двигателя внутреннего сгорания.
Конечно, мы не собираемся в ближайшее время увидеть появление двигателей с внутренним зажиганием в дорожных автомобилях. Этот метод недоказан и несет в себе множество неизвестных в отношении охлаждения, балансировки и надежности. Тем не менее, это признак того, что в мире топливных двигателей не все потеряно.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на пианино.io
Двигатель внутреннего сгорания: основы и конструкция
Двигатели внутреннего сгорания прерывистого действия
В двигателях внутреннего сгорания прерывистого или возвратно-поступательного действия топливо вводится в замкнутую камеру с плотно установленным внутри поршнем . Камера неподвижна, но поршень может двигаться. Топливо попадает в камеру вместе с кислородом и воспламеняется. Взрыв толкает поршень вперед с большой силой.
Поршень прикреплен к коленчатому валу , который перемещается при прямом и обратном скользящем движении поршня внутри камеры. Коленчатый вал может преобразовывать линейное движение поршня во вращательное движение. Затем вращательное движение используется для поворота колес или лопастей.
Двигатели внутреннего сгорания непрерывного действия
Двигатель внутреннего сгорания непрерывного действия очень отличается, но все же включает сжигание топлива в камере сгорания.В этом типе двигателя воздух и топливо воспламеняются в камере непрерывно. Воздух засасывается в двигатель воздушным компрессором, который всасывает и нагнетает воздух в камеру сгорания. Топливо вводится в камеру сгорания, и смесь воспламеняется. Очень сжатый и очень горячий воздух проходит через турбину и выходит из двигателя с большой силой, толкает весь двигатель вперед.
Концепция реактивного двигателя на самом деле довольно проста: это та же самая причина, по которой воздушный шар взлетает вверх, если вы позволяете воздуху внутри воздушного шара вырваться наружу.Воздух, выпущенный из воздушного шара, сталкивается с атмосферным воздухом, и, в свою очередь, атмосферный воздух отталкивается назад, продвигая воздушный шар вперед. В самолете двигатель выталкивает выхлопные газы наружу, а выхлопные газы толкают двигатель вперед.
КПД двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания также называют тепловыми двигателями , поскольку они превращают тепло взрыва в работу. Однако тепло никогда нельзя полностью превратить в работу; всегда есть убытки.Фактически, французский инженер Николя Леонард Сади Карно подсчитал теоретическое максимальное количество тепла, которое двигатель может преобразовать в работу. Теоретический максимум никогда не бывает 100%.
Эффективность теплового двигателя по превращению тепла в работу зависит от разницы температур между резервуарами . В тепловом двигателе мы говорим о горячем резервуаре и холодном резервуаре, при этом энергия всегда течет от горячего к холодному. Двигатель получает тепло от горячего резервуара при взрыве в камере сгорания, преобразует часть этого тепла в работу, а оставшееся тепло отводит в холодный резервуар, выхлопные газы.Тогда эффективность зависит от разницы между температурой горячего резервуара, представленного как Thot, и температурой холодного резервуара, представленного как Tcold. Соотношение следующее:
Идеальная эффективность = (Thot — Tcold) / Thot (Обратите внимание, что температура должна быть выражена в Кельвинах.)
Итак, если у вас есть камера сгорания на 500 K (эквивалент 227 C), выхлопных газов при 300 K (эквивалент 27 C), идеальный КПД будет (500-300) / 500, что составляет 40%.Этот идеальный КПД имеет решающее значение для целей проектирования и дает верхний предел того, сколько работы может обеспечить определенный тепловой двигатель.
Резюме урока
Из этого урока вы узнали, что двигатель внутреннего сгорания всегда включает преобразование химической энергии топлива в механическую. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на прерывистом сгорании , процессе, который включает толкание поршней, прикрепленных к коленчатым валам. Они также могут работать на непрерывном сгорании , когда горячий воздух с высокой скоростью принудительно выталкивается из двигателя, продвигая двигатель вперед.Вы также узнали, что двигатель внутреннего сгорания никогда не может быть эффективным на 100%. Эффективность ограничена разницей температур горячего и холодного резервуаров , а идеальный КПД двигателя можно рассчитать по формуле Ideal Efficiency = (Thot — Tcold) / Thot (с температурами в Кельвинах).
Улучшение двигателя внутреннего сгорания, часть 1
Двигатель внутреннего сгорания может быть чудом инженерной мысли, но это не значит, что он обязательно современный.
На самом деле, базовая конструкция, впервые разработанная Жаном Ленуаром в 1850-х годах, не так уж далека от двигателя, который, вероятно, используется сегодня в вашем автомобиле. Идея воспламенения топлива внутри герметичного блока цилиндров с силой, направленной на цилиндры и поршни, приводящие в движение транспортное средство, улучшалась на протяжении десятилетий, но остается в основном такой же, как и всегда.
И это часть проблемы. Инженеры могут сделать лишь так много для повышения эффективности, производительности и долговечности проверенного временем двигателя внутреннего сгорания.
Вот почему Амир Хаджепур, профессор инженерии механики и мехатроники из Университета Ватерлоо в Ватерлоо, Онтарио, Канада, и его команда работали над улучшением не самой камеры сгорания, а клапанов, управляющих входами и выхлопом. Их инновация, полностью настраиваемая система, которая может регулировать открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, может повысить эффективность двигателей внутреннего сгорания более чем на 10 процентов и является результатом более чем десятилетней работы.
Когда мы сравнили начальные фазы газораспределения с оптимальными фазами газораспределения, мы поняли, что, сосредоточив воздух, который врезается в поршень, мы можем улучшить общую мощность двигателя. Проф. Амир Хаджепур, Университет Ватерлоо
«Большинство новых двигателей имеют форму системы изменения фаз газораспределения (VVT), и есть много преимуществ в изменении фаз газораспределения, когда вы находитесь в разных режимах работы двигателя», — говорит Хаджепур, чьи исследования с командой фокусируются на на разработку более дешевых и экологически чистых двигателей.Вы можете получить более высокий крутящий момент или более высокую скорость или добиться лучшей производительности в других ситуациях, в которых может находиться двигатель ».
Проблема в том, что клапаны обычно управляются кулачком и не могут свободно регулироваться. Большинство систем VVT можно менять только через определенные промежутки времени. Например, их можно переключать только между предварительно установленными настройками, или пользователь может изменять только их обе одновременно. Другими словами, пользователь не может самостоятельно вносить изменения в настройки открытия и закрытия.Это ограничивает возможность точной настройки двигателя.
Khajepour взял эту существующую функциональность и сделал ее полностью регулируемой, заменив кулачки на гидроцилиндры и поворотные гидравлические параметры. Это позволит инженерам настраивать как время открытия, так и время закрытия впускных и выпускных клапанов, чтобы лучше регулировать топливную экономичность, создавая двигатели, которые дешевле в топливе и выделяют меньше углерода.
«Когда мы сравнили начальные фазы газораспределения с оптимальными фазами газораспределения, мы поняли, что, сосредоточив воздух, который врезается в поршень, мы можем повысить общую мощность двигателя», — говорит Хаджепур, объясняя, что показатель повышения эффективности на 10 процентов может быть только началом этой технологии.«Я уверен, что эффективность можно было бы даже повысить еще больше в общем ездовом цикле, потому что сейчас мы смотрим на гораздо более широкие операции [включая вождение с остановками и вождение по шоссе], а не просто одна операция ».
Узнайте в Часть 2 Как Хаджепур и его команда решили эту проблему.
Тим Спринкл — независимый писатель.
Подробнее о проектировании и производстве:
Творческий подход к проектированию улучшает классы
Нанотехнология обеспечивает безопасные литий-ионные батареи
Блокчейн может изменить лицо производства