Где используются двигатели внутреннего сгорания: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Содержание

Двигатель внутреннего сгорания

Определение 1

Двигатель внутреннего сгорания — двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере двигателя.

Первый двигатель внутреннего сгорания (коммерчески успешный) был создан Этьеном Ленуар около $1859$ г. и первый современный двигатель внутреннего сгорания был создан в $1876$ году Николаусом Отто.

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются для приведения в движение транспортных средств — (автомобилей, мотоциклов, судов, локомотивов, самолетов) и других мобильных машин.

Применение

Поршневые двигатели являются на сегодняшний день наиболее распространенным источником питания для наземных и водных транспортных средств, в том числе автомобилей, мотоциклов, кораблей и в меньшей степени, локомотивов (некоторые из них электрические, но большинство используют дизельные двигатели). Роторные двигатели конструкции Ванкеля используются в некоторых автомобилях, самолетах и мотоциклах.

Там, где требуются очень высокие соотношения мощности к весу, двигатели внутреннего сгорания используются в виде турбин внутреннего сгорания или двигателей Ванкеля.

Классификация

Есть несколько возможных способов классификации двигателей внутреннего сгорания.

Поршневые:

По количеству ударов

  • Двухтактный двигатель;
  • Четырехтактный двигатель (с циклом Отто)
  • Шеститактный двигатель

По типу розжига

  • Двигатель с воспламенением от сжатия;
  • Двигатель с искровым зажиганием (обычно встречаются в бензиновых двигателях)

Роторные:

Следующие типы реактивных двигателей также типы газовых турбин:

  • турбореактивный
  • турбовентиляторный
  • турбовинтовой

Запуск (стартер)

Стартер является электродвигателем, пневматическим двигателем, гидравлическим двигателем, двигателем внутреннего сгорания, используемый для вращения двигателя внутреннего сгорания таким образом, чтобы инициировать работу двигателя под его собственной силой.

Двигатели внутреннего сгорания должны иметь циклы, с которых начинается запуск. В поршневых двигателях это достигается путем поворота коленчатого вала, который запускает циклы пуска, сжатия, сгорания и выхлопа.

Замечание 1

Наиболее часто встречающиеся способы запуска ДВС сегодня это с помощью электрического двигателя.

Другой способ запуска является использование сжатого воздуха, который прокачивают в некоторых цилиндрах двигателя, для того, чтобы запустить его.

Турбинные двигатели часто запускаются с помощью электромотора.

Загрязнение воздуха

Двигатели внутреннего сгорания, такие как поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят выбросы в воздух, из-за неполного сгорания углеродистого топлива. Основные производные процесса являются диоксид углерода СО2, вода и сажа – ее также называют твердой частицей. Следствия от вдыхания частиц были изучены в организме человека и животных, и включают в себя астму, рак легких, сердечно — сосудистые проблемы, и преждевременную смерть. Есть, однако, некоторые дополнительные продукты процесса горения, которые включают оксиды азота и серы, а также некоторые несгоревшие углеводороды, которые зависят от условий эксплуатации.

Не все топливо полностью израсходуется в процессе сгорания. Небольшое количество топлива, присутствует после сгорания, а некоторое вступает в реакцию с образованием кислородсодержащих соединений, таких как формальдегид или ацетальдегид. Неполное сгорание обычно возникает в результате недостатка кислорода для достижения идеального стехиометрического соотношения.

Угольное топливо содержит серу и примесь, которое в конечном счете производит монооксид и диоксид серы, который содержится в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям.

Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Дополнительные требования при измерении выбросов продуктов сгорания согласно ISO 8178 – РТС-тендер

ГОСТ ISO 14396-2015



МКС 27. 020

Дата введения 2017-04-01


Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «Центральный научно-исследовательский дизельный институт» (ООО «ЦНИДИ») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН МТК 235 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые»

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 12 ноября 2015 г. N 82-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по
МК (ИСО 3166) 004-97

Код страны по
МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Армения

AM

Армгосстандарт

Беларусь

BY

Госстандарт Республики Беларусь

Казахстан

KZ

Госстандарт Республики Казахстан

Киргизия

KG

Кыргызстандарт

Россия

RU

Росстандарт

Таджикистан

TJ

Таджикстандарт

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 июня 2016 г.

N 669-ст межгосударственный стандарт ГОСТ ISO 14396-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 апреля 2015 г.

5 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ISO 14396:2002* Reciprocating internal combustion engines — Determination and method for the measurement of engine power — Additional requirements for exhaust emission tests in accordance with ISO 8178 (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Дополнительные требования при измерении выбросов продуктов сгорания согласно ISO 8178).
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым здесь и далее по тексту, можно получить, перейдя по ссылке на сайт http://shop.cntd.ru. — Примечание изготовителя базы данных.


Международный стандарт ISO 14396:2002 разработан техническим комитетом ISO/TC 70 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые».

Перевод с английского языка (en).

Официальные экземпляры международного стандарта, на основе которого подготовлен настоящий межгосударственный стандарт, и межгосударственных стандартов, на которые даны ссылки, имеются в национальных органах по стандартизации.

В разделе «Нормативные ссылки» и тексте стандарта ссылки на международные стандарты актуализированы.

Сведения о соответствии межгосударственных стандартов ссылочным международным стандартам приведены в дополнительном приложении ДА.

Степень соответствия — идентичная (IDT)

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ


Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты» (по состоянию на 1 января текущего года), а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты».

Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет

1 Область применения


Настоящий стандарт распространяется на судовые, тепловозные и промышленные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), а также может быть применен для двигателей внедорожной техники. Стандарт устанавливает требования к методам определения мощности указанных двигателей при измерении вредных выбросов в соответствии с ISO 8178, а также дополнительные требования к установленным стандартом ISO 15550.


Данный стандарт устанавливает дополнительные требования к условиям корректировки мощности регулируемых двигателей в зависимости от атмосферных условий и не может применяться при определении значений выбросов нерегулируемых двигателей.

Настоящий стандарт должен использоваться только совместно со стандартом ISO 15550, чтобы полностью определять требования, специфичные для конкретного применения двигателя.

2 Нормативные ссылки


В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:
_______________
* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. — Примечание изготовителя базы данных.


ISO 3104:1994 Petroleum products — Transparent and opaque liquids — Determination of kinematic viscosity and calculation of dynamic viscosity (Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости)


ISO 3675:1998 Crude petroleum and liquid petroleum products — Laboratory determination of density — Hydrometer method (Нефть сырая и жидкие нефтепродукты. Лабораторные методы определения плотности или относительной плотности. Ареометрический метод)

ISO 5164:1990 Motor fuels — Determination of knock characteristics — Research method (Моторное топливо. Определение антидетонационных свойств. Исследовательский метод)

ISO 5165:1998 Petroleum products — Determination of the ignition quality of diesel fuels — Cetane engine method (Нефтепродукты. Определение воспламеняемости дизельных топлив. Цетановый моторный метод)

ISO 15550:2002 Reciprocating internal combustion engines — Determination and method for the measurement of engine power — General requirements (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Общие требования)

ASTM D240-00 Standard Test Method for Heat of Combustion of Liquid Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter (Стандартный метод определения теплоты сгорания жидких углеводородных топлив с помощью калориметрической бомбы)

ASTM D3338-00 Standard Test Method for Estimation of Net Heat of Combustion of Aviation Fuels (Стандартный метод оценки полезной теплоты сгорания авиационных топлив).

3 Термины и определения


В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями, приведенными в таблице 1.


Таблица 1

Термин (в алфавитном порядке)

Определение (см. ISO 15550, номер пункта)

контрольные испытания (production conformity test)

3.5.4

корректировка мощности (power correction)

3.3.10

мощность двигателя для ISO 8178 (engine power for ISO 8178)

3.3.3.3

нагрузка (load)

3.3.11

объявленная мощность (declared power)

3. 3.1

объявленная частота вращения двигателя (declared engine speed)

3.2.4

объявленная промежуточная частота вращения двигателя (declared intermediate engine speed)

3.2.5

регулирование двигателя (engine adjustment)

3.2.1

частота вращения двигателя (engine speed)

3.2.3

частота вращения двигателя при максимальном крутящем моменте (engine speed at maximum torque)

3.2.7

специальные испытания (special test)

3.5.3

топливоподача (fuel delivery)

3.4.2

При объявлении промежуточной частоты вращения двигателя должны быть приняты во внимание следующие требования:

— для двигателей, предназначенных для работы в определенном диапазоне частоты вращения при полной нагрузке, промежуточной частотой вращения двигателя является объявленная частота вращения при максимальном крутящем моменте, если она находится в интервале от 60% до 75% объявленной частоты вращения.

Если объявленная частота вращения при максимальном крутящем моменте составляет менее 60% от объявленной частоты вращения, то промежуточная частота вращения должна приниматься равной 60% от объявленной частоты вращения.

Если объявленная частота вращения при максимальном крутящем моменте составляет более 75% от объявленной частоты вращения, то промежуточная частота вращения должна приниматься равной 75% от объявленной частоты вращения:

— для двигателей, не предназначенных для всережимной работы по внешней характеристике при полной нагрузке в установившемся режиме, промежуточная частота вращения обычно выбирается в диапазоне от 60% до 70% от объявленной частоты вращения.

4 Обозначения и сокращения


В настоящем стандарте применены обозначения и сокращения в соответствии с таблицами 2 и 3 ISO 15550.

5 Стандартные условия


В качестве стандартных исходных условий для определения стандартной мощности ИСО и соответствующего ей удельного расхода топлива приняты условия в соответствии с разделом 5 ISO 15550.

6 Испытания

6.1 Метод испытаний


Применяется метод 2 в соответствии с пунктом 6.3 ISO 15550.

6.2 Условия испытаний


Действуют требования пунктов 6.3.4.1-6.3.4.14 ISO 15550 со следующими дополнениями.

a) Условия измерения мощности двигателя зависят от того, имеет ли двигатель заданную заводскую регулировку, рассчитанную на работу при максимальном значении топливоподачи в любых условиях, или же он допускает регулировки, с помощью которых может быть отрегулирован на заданную мощность.

Для регулируемого двигателя с самовоспламенением от сжатия (дизеля) проверка мощности производится при таких регулировках системы топливоподачи, при которых двигатель будет развивать мощность, заданную изготовителем, при условии, что оборудование этого двигателя соответствует требованиям таблицы 1 (графа 5) ISO 15550.

Все оборудование и все вспомогательные устройства согласно таблице 1 (графа 5) ISO 15550 перед испытаниями должны быть сняты.

Существует ряд устройств, необходимых только для работы приводимого от двигателя оборудования, которое может устанавливаться на двигателе и приводиться от него. Такие устройства перед испытаниями также должны быть сняты. Примерами подобных устройств являются:

— воздушный компрессор для тормозной системы;

— насос гидроусилителя руля;

— компрессор системы пневмоподвески;

— компрессор кондиционера;

— навесной редуктор.

В случаях, когда указанные устройства не могут быть сняты, потребляемая ими мощность должна быть определена и добавлена к измеренной мощности двигателя. Если эта мощность превышает 3% максимальной мощности, развиваемой двигателем при частоте вращения, на которой ведутся испытания, то ее величина может быть проверена надзорным органом.

b) Измерения мощности для ISO 8178 должны производиться при работе на том же топливе, что используется при измерениях выбросов по ISO 8178. Если заинтересованные стороны не договорились об ином, выбор топлива для испытаний должен производиться в соответствии с требованиями таблицы 12 ISO 15550.

На двигатели с самовоспламенением от сжатия (дизели), работающие на дизельном топливе, требования по значениям температуры топлива, приводимые в 6.3.4.11, подпункт b), ISO 15550, не распространяются. Для этих двигателей температура топлива должна быть равна 313 K (40°С).
________________
Приведенные предельно допустимые значения соответствуют законодательным нормативам выбросов для внедорожной техники.

Если используется топливо, отличное от дизельного, его температура может отличаться.

6.3 Порядок проведения испытаний


Требования пункта 6.3.5 ISO 15550 не действуют и заменяются нижеследующими.

Для двигателей, работающих при переменной частоте вращения, измерения должны проводиться при различных значениях частоты вращения, число которых должно быть достаточным для того, чтобы полностью определить характеристику мощности между минимальным и максимальным значениями частоты вращения, рекомендованными изготовителем. Значение мощности в каждой точке определяется как среднее по результатам, как минимум, двух измерений.

Для двигателей, работающих при постоянной частоте вращения, и двигателей установок, в которых крутящий момент зависит от частоты вращения (например, двигателей, работающих на винт фиксированного шага), измерения должны проводиться при объявленной мощности и объявленной частоте вращения.

7 Метод корректировки мощности

7.1 Для целей настоящего стандарта применяется метод корректировки мощности, установленный в разделе 7 ISO 15550.

7.2 Испытания должны проводиться в помещении с системой кондиционирования воздуха, атмосферные условия в котором могут регулироваться таким образом, чтобы значение коэффициента корректировки поддерживалось как можно ближе к единице. Если двигатель оборудован такой системой автоматического регулирования температуры, в которой при полной нагрузке и при температуре воздуха, равной 298 K (25°С), нагретый воздух на впуск не подается, то испытания должны вестись в обычном режиме; при этом показатель степени температурной составляющей в формуле коэффициента корректировки (пункты 7.3 или 7.4.2 ISO 15550) должен быть принят равным нулю (т.е. температурная коррекция отсутствует).

8 Измерения выбросов


Требования раздела 8 ISO 15550 не действуют и заменяются нижеследующими.

Для измерений выбросов вредных веществ после завершения измерений мощности двигателя должны применяться методы измерения, регламентированные ISO 8178.

9 Отчет об испытаниях

9.1 Общие положения


Требования к отчету об испытаниях, содержащиеся в пунктах 9.2.2.1 и 9.2.2.2 ISO 15550, дополняются требованиями, приведенными в пунктах 9.2 и 9.3 настоящего стандарта.

9.2 Условия испытаний при измерении мощности двигателя:

Общие сведения

Фирменное название или марка двигателя:

Тип и паспортный номер двигателя:

Семейство двигателей:

Условия испытаний

Давления, измеренные при объявленной частоте вращения:

a) полное атмосферное давление;

кПа

b) давление водяного пара;

кПа

c) противодавление отработавших газов

кПа

Местонахождение точки измерения противодавления отработавших газов:

Разрежение на впуске:

Па

Абсолютное давление во входном тракте:

Па

Температуры, измеренные при объявленной частоте вращения:

a) воздуха на впуске;

K

b) воздуха на выходе из воздухоохладителя;

K

c) охлаждающей жидкости:

K

— на выходе охлаждающей жидкости

K

— в контрольной точке в случае двигателя с воздушным охлаждением

K

d) смазочного масла:

— точка измерения

K

e) топлива:

— на входе в карбюратор/в систему впрыска топлива

K

— в расходомере топлива

K

Характеристики нагрузочного устройства

Изготовитель

Модель:

Тип:

Диапазон мощности:

Характеристики топлива для двигателей с искровым зажиганием, работающих на жидком топливе

Изготовитель и тип:

Технические характеристики:

Октановое число топлива по исследовательскому методу (RON) согласно ISO 5164:

Октановое число топлива по моторному методу (MON) согласно ISO 5164:

Процентное содержание и тип оксигенатов:

%

Плотность при 288 K (по ISO 3675):

г·см

Измеренная низшая теплота сгорания, согласно ASTM D240-00 или расчетная низшая теплота сгорания согласно ASTM D3338-00:

кДж/кг

Характеристики топлива для двигателей с искровым зажиганием, работающих на газообразном топливе

Изготовитель:

Технические характеристики:

Давление хранения:

кПа

Давление подачи:

кПа

Низшая теплота сгорания:

кДж/кг

Характеристики топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на жидком топливе

Изготовитель:

Характеристики топлива:

Цетановое число (по ISO 5165):

Вязкость при 40°С (по ISO 3104):

мм·с

Плотность (при 288 K по ISO 3675):

г·см

Измеренная низшая теплота сгорания согласно ASTM D240-00 или расчетная низшая теплота сгорания согласно ASTM D3338-00:

кДж/кг

Характеристики топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на газообразном топливе

Система подачи газа:

Характеристики газа:

Соотношение «газ/дизельное топливо»

Низшая теплота сгорания:

кДж/кг

Смазка

Изготовитель:

Технические характеристики:

Класс вязкости SAE:

Ненужное зачеркнуть.

Существует также стандарт ASTM.

9.3 Протоколируемые результаты в функции от частоты вращения двигателя


Протоколируемые результаты должны быть представлены в форме таблицы 2.


Таблица 2 — Протоколируемые результаты

Параметр

Результат

Ед. изм.

Частота вращения двигателя

об/мин

Измеренный крутящий момент

Н·м

Измеренная мощность

кВт

Измеренный расхода топлива

г·с

Барометрическое давление

кПа

Давление водяного пара

кПа

Температура воздуха на впуске

K

Атмосферный фактор ()

Коэффициент корректировки мощности

Расход топлива с учетом коррекции

г·с

ВСЕГО (А)

кВт

Мощность оборудования и вспомогательных устройств, установленных на двигателе, которая должна добавляться к значениям мощности, приведенным в таблице 1 ISO 15550: — (см. пункты 9.2.2.1.12 и 9.2.2.2.13 ISO 15550)

N 1

кВт

N 2

кВт

N 3

кВт

ВСЕГО (В)

кВт

Мощность оборудования и вспомогательных устройств, не установленных на двигателе, но требуемых согласно пункту 4 (таблица 1) ISO 15550, которая должна вычитаться: —

N 1

кВт

N 2

кВт

N 3

кВт

ВСЕГО (С)

кВт

Мощность для ISO 8178

(А) + (В) — (С)

кВт

Крутящий момент для ISO 8178

Н·м

Удельный расход топлива

г/(кВт·ч)

Температура охладителя на выходе/в контрольной точке

K

Температура смазочного масла в точке измерения

K

Температура воздуха за компрессором

K

Температура топлива перед ТНВД

K

Температура воздуха за воздухоохладителем

K

Давление воздуха за компрессором

кПа

Давление воздуха за воздухоохладителем

кПа

Разрежение на впуске

Па

Противодавление на выпуске

кПа

Подача топлива за такт или рабочий цикл

мм

Для двигателей с искровым зажиганием откорректированный расход топлива рассчитывается как измеренный расход топлива, умноженный на коэффициент коррекции мощности. Откорректированный расход топлива используется только для расчетных целей. Для двигателей с воспламенением от сжатия откорректированный расход топлива равен измеренному расходу топлива.
Рассчитывается по откорректированным значениям мощности и расхода топлива.
Ненужное зачеркнуть.

10 Погрешность измерения мощности

10.1 Отклонение мощности двигателя, измеренной при сертификационных испытаниях (специальных испытаниях), от мощности двигателя, объявленной изготовителем, не должно превышать ±2% или 0,3 кВт (имеется в виду наибольшая из указанных величин) при объявленной частоте вращения двигателя и ±4% — при любых других значениях частот вращения.

10.2 Мощность двигателя, измеренная при его контрольных испытаниях, может отличаться на ±5% от мощности, объявленной изготовителем, если не оговорено иное.

Приложение ДА (справочное). Сведения о соответствии межгосударственных стандартов ссылочным международным стандартам

Приложение ДА
(справочное)



Таблица ДА.1

Обозначение и наименование ссылочного международного стандарта

Степень соответствия

Обозначение и наименование межгосударственного стандарта

ISO 3104:1994 Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости

MOD

ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94) Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости

ISO 3675:1998 Нефть сырая и жидкие нефтепродукты. Лабораторные методы определения плотности или относительной плотности. Ареометрический метод

NEQ

ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности

ISO 5164:1990 Моторное топливо. Определение антидетонационных свойств. Исследовательский метод


*

ISO 5165:1998 Нефтепродукты. Определение воспламеняемости дизельных топлив. Цетановый моторный метод

MOD

ГОСТ 32508-2013 Топливо дизельное. Определение цетанового числа

ISO 15550:2002 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Общие требования

NEQ

ГОСТ 10150-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические условия

ГОСТ 10448-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Приемка. Методы испытаний

ASTM D240-00 Стандартный метод определения теплоты сгорания жидких углеводородных топлив с помощью калориметрической бомбы

NEQ

ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания

ASTM D3338-00 Стандартный метод оценки полезной теплоты сгорания авиационных топлив


*

* Соответствующие межгосударственные стандарты отсутствуют. До разработки и утверждения рекомендуется использовать перевод на русский язык данных международных стандартов.

Примечание — В настоящей таблице использованы следующие условные обозначения степени соответствия стандарта:

— MOD — модифицированный стандарт;

— NEQ — неэквивалентный стандарт.

Библиография

[1]

ISO 5163:1990

Motor and aviation-type fuels — Determination of knock characteristics — Motor method (Топливо для автомобильных и авиационных двигателей. Определение антидетонационных свойств. Моторный метод)

[2]

ISO 8178-1:1996

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 1: Test-bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 1: Измерение выбросов газов и частиц на испытательных стендах)

[3]

ISO 8178-2

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 2: Measurement of gaseous and particulate exhaust emissions at site (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 2. Измерение выбросов газов и частиц в условиях эксплуатации)

[4]

ISO 8178-3

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 3: Definitions and methods measurement of exhaust gas smoke under steady-state conditions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 3. Определение и методы измерения дымности выхлопных газов в стационарном режиме)

[5]

ISO 8178-4

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 4: Steady-state test cycles for different engine applications (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 4. Испытательные циклы для различных режимов работы двигателей)

[6]

ISO 8178-5

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 5: Test fuels (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 5. Топливо для испытаний)

[7]

ISO 8178-6

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 6: Report on measuring results and test report (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 6. Отчет о результатах измерения и испытания)

[8]

ISO 8178-7

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 7: Engine family determination (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 7. Определение семейства двигателей)

[9]

ISO 8178-8

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 8: Engine group determination (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 8. Определение группы двигателей)

[10]

ISO 8178-9

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 9: Test cycles and test procedures for test bed measurement of exhaust gas smoke emissions from compression ignition engines operating under transient conditions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 9: Циклы и методики испытаний для стендовых измерений дымовыделения отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания в неустановившемся режиме)

[11]

ISO 8178-10

Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 10: Test cycles and test procedures for field measurement of exhaust gas smoke emissions from compression ignition engines operating under transient conditions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 10: Циклы и методики испытаний для измерений в полевых условиях дымовыделения отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания в неустановившемся режиме)

УДК 621.436:006.354

МКС 27.020

IDT

Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания поршневые, определение мощности, измерение выброса продуктов сгорания




Электронный текст документа
подготовлен АО «Кодекс» и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2016

Пороховой двигатель — Энергетика и промышленность России — № 14 (90) ноябрь 2007 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 14 (90) ноябрь 2007 года

Двигатель внутреннего сгорания является самым распространенным устройством для преобразования энергии химических топлив в механическую работу. Поршневые ДВС до сих пор прочно удерживают позиции во многих отраслях– они являются практически единственным видом двигателей в автомобильном, речном и морском транспорте.

Однако дальнейшее развитие ДВС сегодня связано с решением насущных топливных и экологических проблем.

Топливо для тепловых двигателей

Существование ДВС неразрывно связано с химическими топливами, сжигаемыми для получения зарядов сжатых рабочих газов. При этом в качестве топлив в обычных двигателях используются горючие органические вещества и воздушный окислитель из атмосферы. Первичным энергоносителем, как известно, считают горючие вещества, хранимые на борту транспортного средства. Доминирует среди них жидкое горючее нефтяного происхождения (бензин, дизтопливо, керосин). Ежегодно двигатели автомобилей потребляют около 1 млрд. тонн нефтяных топлив. Но запасы нефти ограничены и невозобновляемы.

По оценке специалистов, при существующей тенденции потребления, рентабельные месторождения горючих ископаемых будут исчерпаны примерно через 50 лет. Прогнозы специалистов на период «нефтяного голода» отличаются друг от друга, но все они укладываются в диапазон: от «проблематично» до «катастрофично». Однозначным является то, что эра дешевой нефти уже закончилась и стоимость нефтяного топлива будет лишь неуклонно возрастать – так как нефть, добытая из сверхглубоких скважин и на континентальном шельфе, всегда дороже той, которая добывалась в предыдущие годы.

В ближайшее время реальной замены ДВС, по мнению авторов, скорее всего, не предвидится. В связи с этим идет активный поиск альтернативных энергоносителей для использования в качестве моторного топлива. Впрочем, вопрос об альтернативе существующим видам топлива стоял уже с момента появления ДВС – и даже раньше.

Распространение дымного пороха в Европе XIII века и изобретение пушек навели изобретателей на мысль о возможности использования пороха для получения механической энергии. Такие попытки делали Гойтфель (1678 г.) и Гюйгенс (1680 г.).

В 1688 г. Папен продолжил опыты с пороховой машиной Гюйгенса. Эти попытки не привели к успеху.

Изобретатель процесса газификации древесного топлива француз Лебон, оформив патент на получение генераторного газа, в 1801 г. дал дополнение к своему патенту, в котором он описывает принцип газового двигателя внутреннего сгорания. К сожалению, идея Лебона не была реализована.

В 1820 г. в Англии Сесиль описал опыты с двигателем, работающим на водороде.
Известно, что первый серийный двигатель внутреннего сгорания Ленуара (1860 г.), первый четырехтактный двигатель Отто (1878 г.), ставший прообразом современных четырехтактных двигателей, и первый двухтактный двигатель Клерка (1880 г.), – все они работали на искусственном газе, как единственном виде моторного топлива, доступном в то время.

«Оторвать» ДВС от стационарных газовых сетей и сделать возможным применение его в качестве привода транспортных средств позволило сжигание в цилиндрах ДВС жидкого топлива – керосина. Это было сделано Даймлером и его сподвижником Майбахом, создавшим пульверизационный карбюратор (1893 г.), но приоритет создания пульверизационного карбюратора был отдан венгерскому ученому Банки, описавшему принцип работы карбюратора ранее (что было установлено в 30‑х гг. ХХ века).

Отсутствие нефти в Европе привело к разработке технологии каталитического синтеза жидких углеводородов из угля (реакция Фишера–Тропша). Сейчас синтетическое топливо производится на трех заводах в ЮАР, обеспечивая в стране парк автомобилей жидким топливом.

Освоение технологии сжижения попутного нефтяного газа (пропан-бутана С3Н8, С4Н10) и развитие добычи природного газа (метана СН4) привели к созданию надежных систем питания двигателей, в том числе транспортных, газовым топливом.

В качестве моторного топлива используются также спирты – метанол СН3ОН и этанол С2Н5ОН, – как в чистом виде, так и в смесях с бензином, – сокращая потребление последнего и выполняя роль экологически чистых антидетонационных добавок. Спирты производятся в основном из растительного сырья, поэтому их считают «биотопливом». Больших успехов в производстве «моторных» биоспиртов достигла Бразилия – в свое время этот вопрос решался в этой стране как государственная программа.

В некоторых сельскохозяйственных районах, где освоена технология метанового сбраживания отходов, в качестве моторного топлива используется биогаз – метан (70‑80%) в смеси с углекислым газом (20‑30%).

Для дизельных двигателей топливом может служить растительное масло или продукты его обработки метанолом (этанолом) с получением метанольного (этанольного) эфира. Перспективным в этом направлении является использование рапсового масла ввиду высокой масляничности этой культуры. В настоящее время в ряде стран, в частности в Европе, производство рапсового масла и рапсово‑метанольного эфира достигает нескольких тысяч тонн в год.

В последнее время перспективным направлением считается применение водорода. В Германии уже появились водородные заправки и автомобили на водороде, а в США проблема «водородного топлива» решается на уровне национальной программы.
Из приведенного выше краткого анализа можно видеть, что в настоящее время для питания ДВС используется целая гамма первичных энергоносителей, которые можно подразделить на две основные группы: жидкие и газообразные. Из опыта эксплуатации известно, что жидкие энергоносители более технологичны и удобны при хранении; системы жидкостного питания двигателей проще и надежнее, а зона их использования значительно шире, чем газовых двигателей.

Все рассмотренные типы ДВС на жидком или газовом топливе работают по воздушно-тепловым (газовым) циклам. Это значит, что заряд воздуха-газа {2N2 + ½ O2}, предварительно сжатого в цилиндре, за счет «подвода теплоты» реакций сгорания топлива (окислитель – кислород воздуха), нагревается до 2000‑2500 °С. При этом при нагреве его давление повышается.

Следовательно, химическая энергия топливной смеси вначале преобразуется в термическую, а затем – в потенциальную (сжатого газа). Далее газ, расширяясь, давит на поршень, преобразуя энергию избыточного давления в механическую – которая, в свою очередь, преобразуется из линейного движения поршня во вращательное движение вала двигателя. Диапазон нагрева газов, их термодинамические свойства, степень полезного расширения и сопутствующие потери при преобразовании энергии определяют, в целом, эффективность воздушно-тепловых двигателей: бензиновых ДВС – не более 30‑35%, дизельных ДВС – около 40%.

Принцип порохового цикла

Вернемся к идее порохового двигателя. В принципе, огнестрельные орудия – это пороховые ДВС, преобразующие энергию горячих сжатых рабочих газов из объема заряда в механическую (кинетическую) энергию движения снаряда. Здесь не важно, что процесс выстрела расчленен на отдельные операции, а метаемый снаряд не имеет связи с механизмом преобразования движения.

Процесс преобразования химической энергии порохового заряда происходит по другому принципу, отличному от воздушных циклов ДВС. Порох – разновидность унитарных топлив и взрывчатых веществ, содержащих в составе твердой фазы как окислитель (донор кислорода), так и горючее вещество (реципиент кислорода), способные к экзотермической реакции.

Главная особенность порохового цикла – превращение высокоплотной фазы твердых компонентов заряда в низкоплотную фазу рабочих газов. Это – результат необратимых окислительно-восстановительных реакций «горючее + окислитель = продукты-газы». Масса продуктов‑газов равна массе пороха, поэтому объем пороховых газов будет превышать объем пороха – пропорционально отношению плотностей исходного заряда и газовой фазы.

Исторически первым топливом-порохом был так называемый дымный порох – тонкая смесь порошков калиевой селитры КNO3 (68‑75%), серы (10‑15%) и древесного угля (15‑17%) – первое в эпоху Средневековья вещество, обладавшее неизвестными ранее взрывчатыми свойствами. Высокая скорость сгорания пороха (до 400 м/с) объясняется быстрым проникновением горячих поджигающих газов между частицами пороховой смеси. Эпоха дымного пороха длилась свыше 500 лет, до середины XIX века; за это время не было найдено других порохов, удобных для применения.

Сгорание дымного пороха за счет «встроенного» кислорода калиевой селитры протекает, в основном, по следующему уравнению:
2КNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 + N2.

Температура продуктов вспышки дымного пороха достигает до Т1 = 2100 °С, с выделением до Q = 585 ккал теплоты и до Vн. у. = 280 л газов на 1 кг смеси. Продукты реакции содержат примерно 50% по массе твердых и жидких частиц калиевых солей (K2S, K2CO3, K2SO4), почти не участвующих в работе расширения газов (CO2, N2, СО). Это снижает работоспособность заряда из «слабого» дымного пороха – в сравнении с показателями бездымных порохов на основе пироксилина, имеющего более высокую теплоту сгорания и не содержащего в продуктах твердых остатков (Q = 900 ккал/кг, Vн. у. = 1000 л/кг):
C24h39O9 (ONO2) 11 = 12СО2 + 12СО + 6Н2О (пар) + 8,5Н2 + 5,5N2.

Таким образом, главная физико-химическая особенность пороховых систем как энергоносителей состоит в том, что все топливные компоненты (и горючие, и окислители, и рабочие газы), подобно чрезвычайно сжатой пружине, хранятся при весьма высокой плотности кристаллов и молекулярных связей конденсированной фазы (K-фазы). При возбуждении реакции от искры или капсюля-воспламенителя происходит необратимое экзотермическое фазовое превращение вещества (газораспад), когда объем полученных газов превышает объем исходного заряда примерно в тысячу раз. При сжигании навески бездымного пороха в камере постоянного объема V = const, содержащей n0 моль газов, продукты сгорания (n1 моль) по уравнению состояния газов развивают давление Р1 – пропорционально отношению присутствующих количеств газов в камере после реакции и до нее (n1/n0 >>1), умноженному на отношение их абсолютных температур (Т1/Т0).

Из рассмотренного следует, что на первом этапе (подготовка рабочего заряда) процессы в воздушно-тепловых ДВС отличаются от подготовки стрелкового выстрела. Так, топливная смесь в обычных ДВС готовится из двух компонентов: заряда воздуха-окислителя (более 90‑94%) и дозы горючего (менее 6‑10%). Поскольку плотность газов мала, весь воздушный окислитель (все газы) перед сжиганием топливной смеси предварительно сильно сжимают.

В «пороховом» сценарии необходимости в такте сжатия нет. Плотность порохов – «уже» на 3 порядка выше плотности газов. Монотопливо‑порох при плотности 1 г/см3 будет эквивалентно 700-кратно сжатому заряду воздуха с добавкой нефтяного горючего. На этапе сжигания зарядов процессы энерговыделения также идут различно. Сжигая в камере V пороховой заряд, мы получим более высокое начальное давление газов по сравнению с давлением вспышки сжатой воздушно-нефтяной смеси той же массы m и калорийности Q.

Дело в том, что сгорающая пороховая масса образует новые газы, которых ранее не было ,– в дополнение к уже присутствующим (или сжатым) газам в надпоршневом объеме V цилиндра ДВС. Но при сгорании воздушно-нефтяной смеси число молей продуктов воздушного сгорания почти не отличается от числа молей исходного воздуха (n1/n0 ~ 1), поскольку кислород воздуха О2 расходуется на образование оксидов Н2О и СО2. В итоге при одинаковой калорийности зарядов Q (и одинаковой температуре сгорания Т1) начальное давление газов в пороховом цилиндре может быть намного выше. После окончания сгорания термодинамические процессы в такте расширения будут примерно одинаковы, но с учетом более высокого давления Р1 пороховых газов полезная работа продуктов сгорания топлива-пороха может быть существенно выше работы «термического» расширения газов в цилиндрах воздушно-тепловых ДВС.

Таким образом, пороховой цикл не «привязан» к воздушному окислителю, процессам впуска и сжатия в цилиндрах ДВС. С учетом высокого газообразования и более высокой калорийности пороховых навесок (Q ~ 900 кал/г) по сравнению с той же массой воздушно-нефтяной смеси (Q = 630 кал/г) эффективность пороховых двигателей может намного превосходить мощностные показатели обычных ДВС.

Современные пороховые системы

Пороховые системы настоящего времени отличаются более сложным составом. Сегодня разрабатываются даже технологии жидких метательных монотоплив для артиллерии (не считая «давно известных» взрывчатых веществ с близким химическим составом). Но суть твердых или жидких энергонасыщенных систем остается прежней: пороха, ракетные топлива и пиротехнические смеси – это концентрированные носители и рабочих тел, и химической энергии «окислитель + горючее». Как правило, активный кислород в таких энергона-сыщенных системах закреплен в азотных соединениях (в солях-нитратах NO3- и нитросоединениях R – NO2), где его связи с азотом менее прочные, чем вновь образуемые связи кислорода с водородом (Н2О) и углеродом (СО2, СО).

Возможность использования пороховых систем как моторных топлив для двигателей ограничена тем же признаком, который препятствовал этому и на заре создания ДВС. А именно – сложностью подачи цикловой порции (дозы) твердого топлива в реакционную камеру цилиндра. Кроме того, сухие пороховые смеси чрезвычайно пожароопасны; продукты сгорания многих энергонасыщенных систем – весьма неэкологичны; стоимость порохов – весьма и весьма велика.

Свойство некоторых азотных соединений, богатых кислородом, отдавать последний (кислород) для окисления горючих веществ, используется для форсирования некоторых ДВС на обычном жидком топливе. Так, еще в 1930‑е годы, решая вопрос кратковременного увеличения мощности бензиновых авиадвигателей самолетов на большой высоте, использовали введение в цилиндры жидкой закиси азота N2О. При вспышке бензино-воздушной смеси закись азота легко распадается в цилиндрах ДВС на азот и свободный кислород:
N2O = N2 + ½ O2.

Реакция распада закиси азота – экзотермическая (Q = 445 ккал/кг), с образованием новых газов (Vн. у. = 763 л/кг). Кроме того, массовая доля кислорода в продуктах распада N2O составляет 36%, что в 1,6 раза выше содержания кислорода (23%) в воздушном окислителе {2N2 + ½ O2}. Избыток кислорода в цилиндрах (по аналогии с «наддувом» двигателя) позволяет увеличить подачу горючего–бензина, чем достигается форсирование ДВС, потребляющего часть окислителя из жидкой фазы N2O, не требующей затрат на работу сжатия. В настоящее время в спортивном тюнинге автомобильных двигателей, наряду с подсадками закиси азота (технология фирмы «NOS»), применяют добавки в бензин растворимых окислительсодержащих нитросоединений: нитробензол, нитрометан, нитропропан. Механизм действия нитроприсадок аналогичен форсирующей подсадке закиси азота: часть кислорода для сгорания топливного заряда несут в себе сами нитросоединения, где атомы окислителя «хранятся» в непрочных связях нитрогрупп NO2 в жидкой фазе топливного раствора. Широко этот метод не используется, так как нитроприсадки токсичны и дороги, некоторые из них в индивидуальном виде взрывоопасны.

В ракетной, космической и оборонной технике известны смесевые топлива на основе соединений азота, содержащие и горючие компоненты, и окислители в твердой, жидкой или гелеобразной фазе.

Исследования процессов горения в середине ХХ века показали, что сгорание многих жидких смесей «горючее + окислитель» склонно к самоускорению с возмущением и турбулизацией горящей поверхности (эффект Ландау). В то же время твердые ракетные топлива могут содержать десятки процентов бризантных взрывчатых веществ (тротил, гексоген, нитроглицерин и др.), но не детонировать, а лишь гореть при высокой плотности (до 1,7‑2,0 г/см3) твердотопливного монозаряда. Применение жидких ракетных топлив в обычной наземной технике практически исключено – по причине пожаро- и взрывоопасности компонентов, токсичности и дороговизны (примером могут служить гидразиновые топлива и гептил космических ракет). Но заметим, что при обязательном условии безопасности и дешевизны возможных энергона-сыщенных композиций именно жидкая форма энергоносителя обеспечивала бы необходимую технологичность.

Варианты использования азотных топлив

Азотные энергоносители могут использоваться в поршневых, роторных и газотурбинных двигателях. Однако такие двигатели должны быть адаптированы к особенностям азотных топлив. Впрочем, это не исключительная особенность азотных топлив: бензиновые, дизельные, газовые двигатели также имеют свои особенности, характерные для используемого вида топлива. Остановимся на поршневых двигателях.

При использовании сбалансированных по кислороду сплавов топливных стехиометрий или их растворов может быть применен двухтактный цикл без впуска воздуха (подобный цикл используется, например, в поршневых двигателях морских торпед). Более широкие возможности по диапазону рабочих температур и хранению топлива в жидкой фазе имеют водно‑солевые и водно-аммиачные растворы-эвтоники азотных компонентов. В этом случае топливная масса будет содержать 2‑4 -кратный избыток горючих веществ (без использования специальных компонентов). Здесь должен применяться двухтактный цикл с впуском и сжатием воздуха, но количество воздуха в таком случае требуется меньшее (до 10‑15 раз) по сравнению с подобными циклами на нефтяном топливе, так как часть окислителя содержится в топливной смеси. Следовательно, затраты энергии на предварительное сжатие воздуха для сжигания окислительсодержащих азотных топлив будут меньшими. Учитывая, что для быстрого разложения топливного окислителя-АС необходима температура не менее 300 оС, а объем цикловой дозы и теплоемкость азотных топлив выше, чем нефтепродуктов по дизельному циклу,  теплоты сжатого воздуха может быть недостаточно для запуска двигателя. Поэтому в пусковом режиме необходимо применять подогреваемую камеру термолиза. Для этого применимы свечи накаливания. В режиме установившейся работы двигателя камера термолиза разогревается за счет теплоты реакций сгорания. С учетом потенциальной энергонасыщенности азотных топлив возможны технические решения организации запуска двигателя без впуска и сжатия воздуха.

Расширение газов в цилиндре «воздушно-порохового» ДВС целесообразно более полное, до давления выпуска, близкого к атмосферному. Расчеты показывают, что при параметрах сжатия и сгорания, близких к показателям обычных воздушно-тепловых ДВС, термический КПД «воздушно-порохового» цикла может достигать 80‑85%.

Теплонапряженность двигателя на водо-нитратных топливах будет существенно ниже ввиду меньших температур процесса (в 1,5‑2 раза) – по сравнению с обычными ДВС на нефтяном топливе. В связи с этим целесообразен отказ от системы жидкостного охлаждения ДВС; необходимый уровень температуры стенок цилиндров обеспечит организация воздушного охлаждения. Соответственно, потери теплоты будут меньшими, а индикаторный КПД цикла ожидается на уровне 70‑75%.

Водо-нитратные растворы не допускают контакта топлива с маслом в связи с возможностью эмульгирования и старения масел, с потерей ими смазывающих свойств. Поэтому кинематическая схема двигателя должна предусматривать крейцкопфный узел в механизме преобразования движения и отделение цилиндра от картера двигателя. В качестве такого варианта может применяться кривошипно-кулисный механизм преобразования движения с линейным движением штока поршня, отделением цилиндра от масляного картера и использованием подпоршневого объема в качестве продувочного насоса в двухтактном цикле. Уплотнение поршня в цилиндре может быть сухим с применением компрессионных колец из железо-графита.

В качестве механизма газораспределения применима клапанно-щелевая схема с выпуском отработавших газов через клапаны в головке цилиндра и впуском продувочного воздуха через окна в средней части цилиндра с поворотной гильзой.

Учитывая особенности кривошипно-кулисного механизма, обладающего более высоким механическим КПД по сравнению с традиционным кривошипно-шатунным механизмом, эффективный КПД двигателя на азотных топливах может быть близок к 70%, что примерно в два раза выше, чем для бензиновых или дизельных двигателей.

Все отмеченные конструктивные особенности двигателя технически реализуемы и позволяют выполнить такой двигатель для использования в нем азотных топлив по обычным машиностроительным технологиям.

Следует учитывать, что по объемному расходу азотного топлива двигатель будет уступать показателям расхода горючего нефтяных ДВС до 2– 2,5 раза. Это может отразиться на емкости топливных баков на автомобиле, но не более. Стоимость единицы механической энергии, произведенной с использованием азотных топлив, по сравнению с эксплуатационными расходами на нефтяные моторные топлива будет снижаться примерно в 3 раза (при существующих мировых ценах на бензин около 1500 долл./т или 1,1 долл./л).

Азотное топливо должно рассматриваться как новое направление в получении и использовании альтернативных, возобновляемых и экологически чистых энергоносителей применительно для автомобильного, железнодорожного, речного, морского транспорта, а также для электроэнергетики (в основном, для автономных и локальных энергоустановок), для привода дорожно‑строительных и подъемно-транспортных машин и механизмов, для привода двигателей механизмов в шахтах и горных выработках, для снабжения сжатым газом пневматического инструмента и механизмов. Но, учитывая, что в современных условиях автомобильный транспорт является основным потребителем энергии химических топлив, именно автомобильная промышленность может и должна одной из первых освоить применение этого перспективного топлива.

устройство, принцип действия, достоинства и недостатки

Бензиновый двигатель – разновидность двигателей внутреннего сгорания, в которых в качестве топлива используется бензин. Воспламенение топливно-воздушной смеси осуществляется при помощи электрической искры. Области применения бензиновых двигателей: транспортные средства, строительная, коммунальная и садовая техника, генераторы электрического тока.

Общее устройство и принцип действия бензинового двигателя

В устройство бензомотора входят:

  • Блок цилиндров. Это самая массивная часть бензомотора. Выполняется из чугуна или более легкого сплава на основе алюминия. Снизу блок цилиндров закрыт блоком коренных крышек, а в его верхней части установлена головка блока цилиндров. По количеству цилиндров блоки могут быть одно- или многоцилиндровыми.
  • Поршни. В цилиндрах движутся поршни, получающие энергию, которая выделяется при сгорании топливно-воздушной смеси в специальной камере. Поршни движутся по цилиндрам с большой скоростью, поэтому при изготовлении этих деталей требуется высокая точность и их взаимная подгонка по размерам.
  • Коленвал. Поршень присоединен к шатуну, который крепится к коленвалу. Оба соединения являются скользящими, что позволяет этим деталям двигаться друг относительно друга. Поршни посредством шатунов приводят в движение коленвал.
  • Маховик. Жестко закреплен на валу. С его помощью осуществляется первичный запуск двигателя, при котором зубья стартера и зубья маховика взаимозацепляются, благодаря чему начинается вращение вала.
  • Дроссельная заслонка. Регулирует количество топливно-воздушной смеси, которая подается в камеру сгорания.

По способу осуществления рабочего цикла различают двухтактные и четырехтактные моторы:

  • Двухтактные. Их используют в случаях, когда на первом месте стоит не высокая мощность и эффективность, а небольшой размер двигателя. Двухтактные бензомоторы устанавливают на мотоциклах, небольших автомобилях, малогабаритной садовой и строительной технике.
  • Четырехтактные. Это наиболее распространенный тип бензодвигателей, используемый для установки в большинстве транспортных средств.

Карбюраторные и инжекторные бензиновые двигатели – основные характеристики

Традиционный вариант – приготовление топливно-воздушной смеси в карбюраторе, в котором бензин смешивается с воздушным потоком за счет искусственной конвекции. В инжекторных агрегатах топливо впрыскивают через форсунки в поток воздуха.

Инжекторный способ, осуществляемый в комплексе с бортовым компьютером, обеспечивает высокую точность дозирования бензина. Применение новой технологии позволило создать легкий и компактный двухтактный двигатель, аналогичный по экономичности четырехтактному карбюраторному мотору. Инжекторные бензиновые моторы соответствуют новым требованиям экологических стандартов к чистоте выхлопных газов.

Преимущества и недостатки универсальных бензиновых двигателей

Основные плюсы бензомотора, по сравнению с дизелем:

  • удобство эксплуатации, отсутствие необходимости в использовании сезонного топлива;
  • более низкий уровень шума;
  • более высокий экологический стандарт;
  • возможность достичь большей мощности при меньшем объеме двигателя.

Бензиновые моторы проигрывают дизельным агрегатам по нескольким характеристикам, среди которых:

  • меньший крутящий момент;
  • более высокое потребление топлива;
  • более высокая пожароопасность из-за легкого возгорания бензина.

Двигатель. Основные системы впрыска топлива. Вредные выбросы

В качестве источника энергии в подавляющем большинстве эксплуатируемых в настоящее время транспортных средств используется двигатель внутреннего сгорания, преобразующий химическую энергию топлива в механическую работу. Следует отметить, что при работе такого двигателя образуется большое количество различных вредных выбросов и излучений. Кроме того, топливо и эксплуатационные жидкости, применяемые в двигателе, обладают высокой токсичностью и пожароопасностью.

По типу применяемого топлива двигатели внутреннего сгорания подразделяются на:

  • бензиновые
  • дизельные
  • работающие с использованием горючих газов

Рис. Устройство и принцип работы двигателя

Основные системы впрыска топлива

Рассмотрим элементы топливных систем основных видов.

Простейшим бензиновым двигателем является карбюраторный. Вследствие низкой экономичности такой двигатель применяется в основном в устаревших моделях автомобилей западно-европейского, а также в части современных автомобилей российского производства.

В современных двигателях все большее распространение находят системы впрыска топлива, обеспечивающие более точное регулирование процессов смесеобразования и, как следствие, большую экономичность и пониженную токсичность.

В качестве переходной системы между карбюраторной системой питания и системой впрыска в ряде автомобилей применяется центральный впрыск. Данная система вместо карбюратора имеет корпус с дроссельной заслонкой и установленной в нем единственной форсункой. Остальная система топливоподачи такого двигателя практически ничем не отличается от системы топливоподачи карбюраторного двигателя, за исключением наличия топливного насоса с электрическим приводом.

Дальнейшее развитие систем впрыска привело к необходимости подавать топливо отдельно в каждый из цилиндров двигателя.

В результате появилась так называемая система механического впрыска топлива, которая сейчас практически не применяется. Однако существует еще достаточно автомобилей 1980-1990 гг. выпуска, оснащенных такой системой, один из вариантов которой представлен на рисунке. Эта система имеет в своем составе дополнительный накопителя топлива и дозатор-распределитель, с помощью которого топливо распределяется между цилиндрами.

В настоящее время самое широкое распространение имеют электронные системы впрыска топлива разнесенного типа. Большинство современных систем впрыска являются вариантами такой системы, схема которой приведена на рисунке. В данной системе топливо подается к форсункам посредством специального топливного коллектора.

Общие элементы всех приведенных выше систем — топливный бак, топливный насос, топливный фильтр и топливопроводы. Следует иметь в виду, что электрические топливные насосы на современных автомобилях располагаются, как правило, внутри топливного бака и омываются топливом для обеспечения более интенсивного охлаждения. Кроме фильтров тонкой очистки в системе топливоподачи могут устанавливаться фильтры-отстойники для обеспечения более эффективного отделения от топлива воды и твердых примесей.

Для газобаллонных автомобилей используются, как правило, обычные двигатели, работающие на бензине. На таком двигателе устанавливается система питания, предназначенная для работы как на газообразном топливе, так и на бензине. Топливом для таких двигателей служит сжатый или сжиженный газ.

Схема системы питания автомобиля, работающего на сжатом газе, представлена на рисунке:

Рис. Система питания двигателя, работающего на сжатом газе:
1 — баллоны для сжатого газа; 2 — вентили групп баллонов; 3 — наполнительный вентиль; 4 — основной расходный вентиль; 5 — редуктор высокого давления; 6 — электромагнитный клапан; 7 — редуктор низкого давления; 8 — пусковой клапан; 9 — карбюратор-смеситель

Система питания автомобиля, работающего на сжиженном газе, имеет один или два баллона, заполненных сжиженным газом. При необходимости превращения жидкой фазы в газообразную в системе предусмотрен испаритель и одноступенчатый редуктор.

В современных двигателях иностранного производства в настоящее время начинают внедрять газовую систему питания, основанную на использовании сжиженного газа непосредственно (в виде жидкой фазы), без испарителя.

В целях снижения дымности и повышения экономичности дизельных двигателей для них также разрабатываются установки для использования газового топлива. Наиболее широкое распространение получила установка, в которой в качестве источника зажигания газовоздушной смеси используется факел жидкого топлива, самовоспламеняющегося от сжатия.

Цилиндры двигателя в течение впуска заполняются газовоздушной смесью обедненного состава. Для этого на впускном трубопроводе двигателя или нагнетателя устанавливается смесительное устройство для перемешивания газа с воздухом, регулирования качества и количества газовоздушной смеси, поступающей в двигатель. Схема такой установки представлена на рисунке. Следует отметить, что в данных установках могут одновременно применяться баллоны для сжатого и сжиженного газа.

Рис. Система питания газодизельного двигателя: 1 — баллоны для сжатого газа; 2 — баллон для сжиженного газа; 3 — расходный вентиль для сжиженного газа; 4 — наполнительный вентиль для сжиженного газа; 5 — расходный вентиль для сжатого газа; 6 — наполнительный вентиль для сжатого газа; 7 — подогреватель-испаритель; 8 — магистральный вентиль; 9 — газовый фильтр; 10 — газовый редуктор; 11 — газовый смеситель

Топливная система дизельного двигателя, имеющего в своем составе топливный насос высокого давления (ТНВД), показана на рисунке. В такой системе может применяться также дополнительный фильтр-отстойник топлива, расположенный на всасывающей магистрали между топливным баком и подкачивающим насосом. Кроме того, транспортные средства с большим расстоянием между топливным баком и двигателем (преимущественно автобусы) могут снабжаться несколькими ручными подкачивающими насосами для облегчения заполнения топливом трубопроводов низкого давления.

Рис. Система питания дизельного двигателя:
1 — топливный бак; 2 — топливный фильтр тонкой очистки; 3 — топливо провод низкого давления; 4 — топливный насос высокого давления; 5 — топливоподкачивающий насос; 6 — регулятор подачи топлива; 7 — педаль подачи топлива; 8 — топливопровод высокого давления; 9 — топливная форсунка; 10 — топливопровод слива; 11 — двигатель

В настоящее время на дизельных двигателях большой мощности получили распространение системы, в которых нагнетание топлива под высоким давлением происходит непосредственно в форсунках. Такой двигатель не имеет ТНВД, а снабжен насос-форсунками, имеющими электрическое или гидравлическое управление. Характерными особенностями этих двигателей является отдельный привод подкачивающего насоса, осуществляемый от распредвала, привода компрессора, насоса гидроусилителя и т.п., наличие топливного коллектора, распределяющего топливо между насос-форсунками, а также отсутствие топливопроводов высокого давления.

Основные компоненты вредных выбросов отработавших газов двигателя

Основные компоненты вредных выбросов отработавших газов бензинового двигателя и двигателя, работающего на газу, — оксид углерода (СО) и летучие углеводороды (СН), содержание которых подлежит контролю при проверке технического состояния двигателя.

Оксид углерода — это бесцветный, не имеющий запаха газ. Плотность СО меньше воздуха, поэтому он легко может распространяться в атмосфере. Поступая в организм человека с вдыхаемым воздухом, СО снижает функцию кислородного питания, выполняемую кровью. Усугубленный кислородным голоданием токсический эффект СО проявляется в непосредственном влиянии на клетки центральной нервной системы. Кроме того, в результате кислородного голодания организма ослабляется внимание, замедляется реакция, падает работоспособность водителя, что влияет на безопасность дорожного движения.

Углеводородные соединения служат исходными продуктами для образования фотооксидантов, обладающих сильным раздражающим и общетоксичным действием на организм человека. Особенно опасными из группы углеводородов являются канцерогенные вещества. Установлено, что в местах непосредственного контакта канцерогенных веществ с тканью появляются злокачественные опухоли. Токсичными веществами являются также пары бензина, попадающие в атмосферу из топливного бака и неплотностей в соединениях отдельных узлов и систем двигателя.

В дизельном двигателе подлежит контролю содержание сажи в отработавших газах, которое проявляется в виде дыма, выделяющегося при работе двигателя.

Сажа — это твердый углерод, который при попадании в организм задерживается в легких, дыхательных путях и вызывает аллергию. Кроме того, сажа, как любой аэрозоль, загрязняет воздух и ухудшает видимость на дорогах.

Пути совершенствования рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.438

ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

© 2007 Е. В. Беляева, М. Ю. Орлов, Д. А. Угланов

Самарский государственный аэрокосмический университет

В статье рассмотрены основные пути совершенствования рабочего процесса в двигатели внутреннего сгорания, используемые зарубежными фирмами — производителями двигателей. Выделены основные направления работ, описаны серийные конструктивные схемы с указанием их преимуществ.

Основные задачи, решаемые при проектировании современных бензиновых и дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) — это повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Обе эти задачи решаются в основном за счет совершенствования рабочего процесса.

С точки зрения общей конструкции бензиновый и дизельный двигатель мало, чем отличаются друг от друга, так как оба состоят из цилиндров, поршней, шатунов и т.д. Правда, детали дизельного двигателя существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки, так как степень сжатия у него намного выше (19…24 против 9-11 у бензинового). Долгое время считалось, что принципиальное отличие этих двигателей заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. Если у бензинового двигателя смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется от искры свечи зажигания, то в дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно: в цилиндры поступает чистый воздух, а в конце сжатия в камеру сгорания форсунками под большим давлением впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется от контакта с нагретым до 700-800 °С воздухом. Этот процесс сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре — отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет

использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность. По экологическим характеристикам дизельный двигатель также несколько превосходит бензиновый: при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ, особенно оксида углерода заметно ниже. К характерным недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Однако в современных конструкциях эти проблемы в основном уже решены.

С точки зрения конструкции камеры сгорания существует несколько типов дизельных двигателей: с неразделенной и разделенной конструкцией камеры сгорания. В первых, называемых также дизелями с непосредственным впрыском (рис. 1), топливо впрыс-

Рис. 1. Камера сгорания дизеля с непосредственным впрыском 1-форсунка; 2-свеча накаливания; 3-камера сгорания

кивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне.

Наиболее распространенными долгое время были дизели с разделенной камерой сгорания. В них впрыск топлива осуществляется не прямо в цилиндр, а в дополнительную камеру. Такие камеры часто выполнялись с вихревой закруткой потока (рис. 2). Они выполнялись в головке блока цилиндров и соединялись с цилиндром специальным каналом. При сжатии воздух попадал в вихревую камеру и интенсивно закручивался, что улучшало процесс смесеобразования. Самовоспламенение начиналось в вихревой камере, а затем продолжалось в основной камере сгорания. Применение разделенной камеры сгорания позволяло снизить темп нарастания давления в цилиндре, что способствовало снижению шумности и повышению максимальных оборотов.

Предкамерные дизели (рис. 3) имеют специальную форкамеру, соединенную с цилиндром несколькими небольшими каналами, форма и сечение которых подбирались таким образом, что между цилиндром и фор-камерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов с большой скоростью. Такая конструкция позволяла увеличить ресурс, снизить уровень шума и токсичности, а также обеспечить пологую характеристику крутящего момента.

Таким образом, в дизелях с неразделенной камерой в процессе смесеобразования

Рис. 2. Вихрекамерный дизель 1 — форсунка; 2 — свеча накаливания; 3 — камера сгорания

топливо равномерно распределяется по камере сгорания за счет большого числа струй. Для конструкции с камерой сгорания в поршне характерно пленочное смесеобразование, когда топливо подается на стенку камеры и его пары, попадая в вихрь воздуха, хорошо с ним перемешиваются. В вихрекамерных дизелях поток воздуха закручивается при вытеснении его в вихревую камеру в процессе сжатия, а топливо впрыскивается в быстро вращающийся вихрь. В предкамерных дизелях смесеобразование осуществляется вследствие поступления воздуха и топлива из предкамеры в основную камеру, вызванного начавшимся сгоранием и повышением давления в предкамере.

Работы по совершенствованию дизелей привели к тому, что в Европе этот тип двигателей используется на более, чем на 40 % автомобилей. В некоторых странах (Австрия, Бельгия, Франция) таких автомобилей более половины. Такой рост применения дизелей объясняется их использованием не только на грузовиках, но и на легковых автомобилях. Поскольку вторые отличаются более высокими динамическими качествами, то это стало возможным с переходом от предкамерных дизелей на двигатели с неразделенной камерой сгорания (впервые на легковом автомобиле «Фольксваген», 1996 г.). Долгое время непосредственный впрыск применялся только в низкооборотных дизелях большого рабочего объема, что объяснялось трудностя-

Рис. 3. Предкамерный дизель 1 — форсунка; 2 — свеча накаливания; 3 — форкамера; 4 — камера сгорания

ми организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией. В последние годы, благодаря появлению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением и двухступенчатого впрыска топлива, удалось оптимизировать процесса сгорания в таких двигателях в результате удалось получить устойчивую работу на частоте оборотов коленчатого вала свыше 4000 об/мин, улучшить экономичность и снизить шум и вибрацию. На дизелях с непосредственным впрыском стали использовать двухфазный впрыск, в котором топливо подавалось двумя дозами: пилотной и основной. За счет этого удалось оптимизировать задержку самовоспламенения и снизить жесткость работы двигателя. С точки зрения систем питания дизелей с непосредственным впрыском четко выражены два направления: использование насос-форсунок и применение накопительных магистралей (так называемый «коммон рейл»). Первые обеспечивают точное дозирование за счет высокого давления впрыска (до 205 МПа), вторые — при несколько меньших давлениях (порядка 160 МПа) — лучшее управление самим процессом впрыска. В насос-форсунках закон впрыска определяется сечением каналов и жесткостью пружин, изменять можно только начало впрыска и количество подаваемого топлива. В системах «коммон рейл» открытием форсунок управляют соленоиды, что позволяет ускорить открытие форсунки и впрыснуть топливо за меньший промежуток времени (с учетом дальнейшего роста давления в перс-

пективных системах). Тем самым можно улучшить экологические характеристики дизеля. Таким образом, топливная аппаратура в современных дизелях практически определяет уровень их мощностных и экологических характеристик.

В конце 20 века появились и бензиновые двигатели с системой непосредственного впрыска бензина в цилиндры (например система ОБ1 фирмы «Мицубиси», рис. 4). Впрыск бензина прямо в цилиндр позволяет управлять распределением топлива в камере сгорания, увеличивает быстроту реагирования двигателя на управляющее воздействие и обеспечивает сгорание очень бедной топливовоздушной смеси (достигается стабильное сгорание сверх бедной топливовоздушной смеси в соотношении до 40:1, тогда как топливовоздушное соотношение для нормальной системы распределенного впрыска топлива составляет от 12,5 до 15:1).

Для формирования необходимого распределения топлива по камере сгорания в системе ОБ1 используется углубление в днище поршня, которое направляет смесь топлива с воздухом дальше к свече зажигания в виде послойной топливовоздушной смеси. При этом облако топливовоздушной смеси с оптимальным для воспламенения соотношением располагается около свечи зажигания, и от него легко воспламеняется бедная топливовоздушная смесь на всем пространстве камеры сгорания. Сжигание обедненной топливовоздушной смеси позволяет значительно снизить расход топлива как на холостом

а)

б)

Рис. 4. Распределение топливовоздушной смеси в системе ОБ1 (а) и при обычном впрыске (б)

ходу (до 40 %), так и при движении с постоянной скоростью (20 — 25 % на скоростях до 100 км/ч).

В системе ОБ1 положительную роль также играет эффект охлаждения камеры сгорания на впуске. Это позволяет несколько повысить мощность двигателя за счет лучшей объемной эффективности и более высокой степени сжатия (12 за счет того, что эффект охлаждения предотвращает появление детонации). Подобные принципы были также реализованы в двигателях Б81 фирмы «Фольксваген». Однако такие двигатели оказались очень требовательны к качеству топлив, а обедненные режимы — неэффективны в условиях европейских дорог.

Одной из последних новинок в области бензиновых ДВС являются новые моторы с непосредственным впрыском фирмы «Мерседес-Бенц» (технология НСС1, заявленное начало производства — 2009 год). В этих двигателях используется концепция «контролируемого самовоспламенения». В большинстве ранее использовавшихся камер сгорания бензиновых ДВС был ярко выражен фронт пламени. В новых двигателях при сжатии топливовоздушной смеси до температуры воспламенения возгорание происходит не в одной точке, а сразу по всему объему (технология НСС1 предусматривает воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре путем ее сжатия). Так как в отличие от искрового зажигания, а также от процесса сгорания в дизельном двигателе, технология НСС1 позволяет реализовать высвобождение энергии топлива при низкотемпературном сгорании смеси сразу во всем объеме камеры сгорания, то все топливо, находящееся в цилиндре, сгорает одновременно. Данный процесс позволяет получить ту же мощность, что и у обычного бензинового двигателя, при меньшем расходе топлива. Механизм получения гомогенной смеси при непосредственном впрыске не раскрывается. Заявлено, что двигатель также оснащен турбонаддувом и системой изменения фаз газораспределения. На прототипе при рабочем объеме 1,8 л получена мощность 238 л.с. и расход топлива 6 л на 100 км.

Для рабочего процесса системы НСС1 необходима относительно высокая темпера-

тура двигателя. Поэтому в период прогрева холодного двигателя используется обычное искровое зажигание. В режиме НСС1 используется обедненная смесь, поэтому КПД тако -го бензинового двигателя оказывается близким к КПД дизеля, но при этом для очистки отработавших газов можно использовать только традиционные устройства (для дизелей используются дорогостоящие системы снижения токсичности отработавших газов). Степень сжатия двигателя, использующего технологию НСС1, такая же, как у обычных бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива, а в качестве топлива могут быть использованы уже имеющиеся в продаже сорта бензина. С точки зрения разработчиков системы, наиболее трудной задачей, решаемой при создании технологии НСС1, является управление процессом сгорания. Если при использовании искрового зажигания для этого могут использоваться угол опережения зажигания и интенсивность искрового разряда, то при использовании технологии НСС1, где при сгорании отсутствует факел пламени, чтобы добиться требуемых характеристик двигателя приходится осуществлять сложное синхронное регулирование состава смеси и температуры.

Приведенные концепции развития смесеобразования в ДВС показывают, что грань между реализацией рабочих процессов в бензиновых и дизельных двигателях стирается и работы фирм по созданию новейших ДВС направлены на создание двигателей, которые объединяли бы преимущества циклов Отто и Дизеля.

Для обеспечения оптимальных мощно-стных параметров двигателя, высокой экономичности и снижения токсичности отработавших газов ведущими автопроизводителями мира также применяется регулировка фаз газораспределения. В настоящее время она реализуется двумя способами: сдвигом фаз и масштабированием (в виде изменения подъема клапана).

Конструктивно сдвиг фаз реализуется проще, но он менее эффективен в плане увеличения мощности и может быть реализован только в схемах с двумя распределительными валами, т. к. уменьшение или увеличение

перекрытия клапанов при изменении оборотов двигателя выполняется обычно поворотом вала, управляющего впускными клапанами. Однако рост мощности от увеличения перекрытия клапанов на высоких оборотах двигателя при этом ограничивается снижением дозарядки топливо-воздушной смесью в результате уменьшения угла закрытия клапана после прохода НМТ. Регулировка фаз газораспределения за счет масштабирования диаграммы подъема кулачка может быть осуществлена в виде попеременно работающих кулачков с различной разверткой: на малых и высоких оборотах. При этом в первом случае фазы сужаются, а во втором — расширяются. Такая схема реализована еще в 80-х годах прошлого века на одном из двигателей фирмы «Хонда» (УТЕС-2 БОИС) за счет размещения на распределительном вале двух комплектов кулачков (широкого с большим подъемом для высоких оборотов и узкого с малым подъемом), с которыми работали два комплекта рокеров, один из которых соединяется с другим гидравликой при помощи подпружиненного штифта. В 1991 году появилась система УУТ фирмы Тоуоіа. В этой системе профиль кулачков не меняется, но на каждом из двух распределительных валов (отвечающих за впуск и выпуск) стоят гидравлические фазовращатели, изменяющие моменты впуска и выпуска относительно ВМТ поршневой группы. Дальнейшим развитием этой системы является система

«VVTLi» (i — использование чисто электронного управления), в которой появился механизм, изменяющий высоту подъема впускных клапанов.

Одной из самых совершенных конструкций изменения фаз газораспределения является система Double VANOS фирмы БМВ. В ней оба распределительных вала, управляющих соответственно впускными и выпускными клапанами, могут поворачиваться относительно начального положения, изменяя моменты начала впуска и выпуска (длина фаз, определяемая профилем вала, постоянна), а также продолжительность перекрытия клапанов (фаза, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Однако эта система обеспечивает оптимальные условия работы мотора только при полностью открытой дроссельной заслонке. При работе двигателя на режимах частичной нагрузки дроссельная заслонка создает во впускном трубопроводе разрежение, которое ухуд -шает наполнение цилиндров. Целесообразно было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для наполнения цилиндра горючей смесью. В результате на двигателях БМВ, как и у Тойоты появилась механическая система управления не только фазами, но и подъемом впускных клапанов. К Double VANOS добавился механизм, изменяющий высоту подъема впускных клапанов (система VALVETRONIC, рис. 5). Реализовано это было следующим образом: между рас-

Рис. 5. Реализация системы VALVETRONIC

пределительным валом и каждой парой впускных клапанов поместили дополнительный рычаг, в зависимости от положения оси вращения которого изменяется закон движения клапанов. Положение его оси, в свою очередь, задается вращением дополнительного эксцентрикового вала от электромотора. В результате и высота подъема клапанов, и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от положения педали газа, что позволило избавиться от дроссельной заслонки и за счет этого на 10-18 % снизить расход топлива по сравнению с мотором, оснащенным только Double VANOS. С увеличением числа оборотов величина открытия клапанов увеличивается. При этом уменьшается сопротивление газовым потокам внутри цилиндра, скорость продувки и наполнения цилиндра топливовоздушной смесью возрастает. Кроме того, увеличивается действие так называемого инерционного эффекта. Топливовоздушная смесь внутри цилиндра запирается клапанами при гораздо большем давлении, ее плотность выше, чем при минимальных оборотах. При минимальных оборотах ход клапана мал, поэтому уменьшается эффект перекрытия клапанов, что и позволяет снизить расход топлива.

Совершенствование систем газораспределения не ограничивается только изменени-

ем фаз. Так, фирма («Ауди») решает эту задачу за счет увеличения количества клапанов до пяти клапанов на цилиндр (рис. 6). Работы над пятиклапанной системой проводились «Ауди» с 1984 года, но их результаты вначале использовались только на спортивных автомобилях. На серийных двигателях фирмы эта схема нашла применение с 1994 года. Такое решение позволяет увеличить эффективное проходное сечение клапанной системы, оптимизировать наполнение цилиндра, обеспечить лучшее распределение заряда по камере сгорания и в результате улучшить эко -номичность и экологические характеристики. Кроме того, в пятиклапанной головке цилиндра увеличение расстояния между клапанами и свечой зажигания позволяет, исходя из возможностей технологий, применяемых для отливки головки блока цилиндров, обеспечить лучшее отделение свечного колодца от выпускных каналов и увеличить, таким образом, эффективность охлаждения соответствующего участка головки. В результате особенностью данной конструкции ДВС с пятью клапанами на цилиндр является сравнительно малая, несмотря на высокую степень наполнения цилиндров, склонность этих ДВС к возникновению в них детонации. В пятиклапанной системе «Ауди» используется три канала впускных клапанов, которые, сходясь, образуют овальное отверстие, к ко —

Рис. 6. Пятиклапанная система «Ауди»

торому присоединяется фланец впускного трубопровода. Благодаря своей конструкции каналы создают завихрения впускаемого воздуха, достаточные для обеспечения достаточно малой склонности ДВС к возникновению в нем детонации, в том числе и при использовании систем управления составом смеси (адаптации состава смеси) по коэффициенту избытка воздуха, в которых значение этого коэффициента (лямбды) предполагается поддерживать по возможности близким к единице. Кроме того, конструкция каналов допускает применение двухструйных клапанных форсунок, ориентирующих струи впрыскиваемого топлива в направлении всех трех впускных клапанов. При этом практически все топливо распыляется в направлении тарелок клапанов, и лишь самый минимум топлива попадает на стенки цилиндра, точнее, не на сами стенки, а на перемычки между каналами. Конструкция выпускных каналов аналогична конструкции выпускных каналов двигателя с четырьмя клапанами на цилиндр.

Многоклапанные двигатели отличаются тем, что уже при небольшой высоте подъема клапанов их клапанными системами обеспечиваются большие проходные сечения, вследствие чего эти двигатели весьма чувствительны к точности соблюдения параметров впускных и выпускных каналов, а также к точности настройки фаз газораспределения. Только при соблюдении названных условий в таких двигателях может быть обеспечен требуемый коэффициент наполнения цилиндров и эффективная очистка цилиндров от остаточных газов. Интересно, что на некоторых двигателях фирмы «Опель» пошли также на изменение числа клапанов, но в другую сторону В их системе «УапоСат» на режиме малых нагрузок перекрывается один из впускных клапанов. При этом скорость во втором возрастает, поток начинает закручиваться по спирали и обедненная смесь лучше перемешивается и полнее сгорает.

Для повышения мощности ДВС достаточно длительное время используется наддув. В двигателях Т81 фирмы «Фольксваген» наддув выполнен двухступенчатым: вначале давление повышается компрессором, а затем за счет турбонаддува. Это сделано для того, что-

бы во время интенсивного разгона, когда турбина еще не развила необходимую скорость, давление воздуха на впуске поднимает механический компрессор, а после выхода турбины на рабочий режим она берет функции обеспечения повышения давления на впуске на себя. На высоких нагрузках и компрессор, и турбонаддув действуют параллельно. При отсутствии необходимости в высоком крутящем моменте электроника переводит работу двигателя на атмосферный режим. Для этого привод механического компрессора осуществляется через магнитную электронную муфту, которая позволяет быстро подключать или отключать компрессор. Все в совокупности позволяет в широком диапазоне оборотов иметь большой крутящий момент. Чтобы получить плавную характеристику крутящего момента также используются впускные коллекторы переменной длины. Так, на самом мощном в мире атмосферном двигателе фирмы ЛМО М156 Е63 (510 л.с. и 630 Нм) длина впускного канала за 0,1 с способна изменяться вдвое. Длинный впускной канал используется для разгона воздушного потока для получения динамического наддува на низких оборотах и невысоких скоростях, когда встречный воздушный поток невелик, а на средних и высоких оборотах длина канала уменьшается, так как необходимость в искусственном ускорении воздушного потока отпадает, дополнительно уменьшаются аэродинамические потери на трение.

Наибольшие возможности по улучшению наполнения цилиндров без увеличения числа и размера клапанов, изменения их подъема и фазы впуска дает электромагнитный привод клапанов. При тех же времени открытия и высоте подъема определяющий параметр «время-сечение» будет больше, так как электромагнитный клапан открывается и закрывается значительно быстрее. За счет этого можно увеличить крутящий момент двигателя примерно на 7 %.

На опытном образце четырехцилиндрового мотора БМВ с электромагнитными клапанами и непосредственным впрыском бензина привод клапанов устроен следующим образом: подпружиненный клапан помещен между двумя электромагнитами, которые

удерживают его в крайних положениях: закрытом и открытом. О текущем положении клапана микропроцессору выдает информацию специальный датчик. Это необходимо, чтобы снизить до минимальной его скорость в момент касания седла. Количество воздуха, поступающего в цилиндр, определяется временем открытия клапана — высота подъема не регулируется. Изменение программы управления клапанами позволяет отключать отдельные клапаны, а, следовательно, и цилиндры. Это дает возможности по обеспечению эффективного «торможения двигателем», повышению экономичности и т. д.

Вышесказанное свидетельствует о том, что большинство работ конструкторов в области ДВС направлено на оптимизацию рабочего процесса ДВС с целью достижения максимальной экономичности и лучших эко-

логических характеристик при достаточных мощности и крутящем моменте. Для достижения этих целей используются:

— непосредственный впрыск в дизелях в совокупности с электронным управлением;

— оптимизация впускных трубопроводов, сечений клапанов и их количества;

— разработка различных систем регулирования фаз газораспределения бензиновых моторов;

— широкое применение наддува как в дизелях, так и для бензиновых двигателей;

— внедрение электронных систем управления форсунками и клапанами.

Список литературы

Рекламные проспекты автомобильных фирм «Ауди», «БМВ», «Даймлер-Бенц», «Мицубиси», «Опель», «Хонда», «Фольксваген».

THE WAYS OF OPERATING PROCESS’ IMPROVEMENT IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

© 2007 E. V. Belyaeva, M. Y. Orlov, D. A. Uglanov

Samara State Aerospace University

In this paper it is shown the main ways of operating process’ improvement in internal combustion engines used by foreign companies that produce engines. It is dedicated main work directions and described serial engine designs with their advantages.

Двигатели внутреннего сгорания — обзор

2.1 Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и реактивные двигатели являются важными силовыми установками для гражданского и военного применения. Эти двигатели — это машины, которые преобразуют тепло, выделяемое при сгорании, в механическую или кинетическую энергию. В настоящее время ДВС и реактивные двигатели по-прежнему работают на ископаемом топливе и в основном полагаются на него. Растущая озабоченность по поводу экологической и энергетической безопасности привлекает внимание к альтернативным видам топлива (AFs). Существует два типа ДВС, а именно двигатели с искровым зажиганием (SI) и двигатели с воспламенением от сжатия (CI), обычно соответствующие бензиновым двигателям и дизельным двигателям.Двигатели SI широко используются в качестве источников энергии для легковых автомобилей и мотоциклов, в то время как двигатели CI в основном используются для грузовиков, кораблей и внедорожников из-за их более высокой энергоэффективности и удельной мощности по сравнению с бензиновыми двигателями [1].

Преобладающие АФ, задействованные в ДВС, охватывают широкий спектр нетрадиционных видов топлива, включая биотопливо, полученное из биомассы, сжиженного нефтяного газа (СНГ), преобразования угля в жидкие углеводороды (CtL) и водорода (H 2 ). Биотопливо считается более чистым, чем обычное топливо для ДВС, с точки зрения выбросов вредных газообразных веществ и твердых частиц (ТЧ) [2,3].Хотя все еще существуют некоторые технологические барьеры при использовании H 2 в ДВС, H 2 по-прежнему является одним из перспективных видов топлива для будущих двигателей, о котором будет кратко рассказано в разделе 2.2. LPG и CtL обычно получают из ископаемого топлива [4], и они обычно классифицируются как альтернативные виды топлива, но не как биотопливо. В этой главе основное внимание уделяется технологии и производству биотоплива. Сжиженный нефтяной газ и CtL также кратко рассматриваются в разделе 2.2.

Биотопливо, которое в настоящее время применяется в транспортных средствах во всем мире, — это биодизель и биоспирт [5].Биодизель — это кислородсодержащее топливо на основе сложных эфиров, состоящее из длинноцепочечных жирных кислот, полученных из растительных масел (как пищевых, так и несъедобных) или животных жиров, и оно невзрывоопасно, биоразлагаемое, негорючее, возобновляемое и нетоксичное. Его можно использовать в дизельном двигателе в качестве альтернативы дизельному топливу без существенной модификации двигателя с такими же или лучшими характеристиками по сравнению с обычным дизельным топливом [6–8]. С другой стороны, биоспирты производятся из ряда сельскохозяйственных культур, таких как картофель, сахарный тростник, зерно, кукуруза, сорго и т. Д.Этанол и бутанол — наиболее часто используемые альтернативные виды топлива в ДВС [9]. Таким образом, биодизель используется для замены дизельного топлива в двигателях CI, тогда как биоспирты используются для смешивания с бензином в двигателях SI. Сообщается, что сжигание биодизеля может привести к заметному снижению выбросов ТЧ из-за присутствия атомов кислорода и более полному сгоранию [10,11].

Пластинки графена выглядят более искаженными и имеют более длинные разделительные расстояния. Кроме того, выбросы NO x несколько увеличиваются, в то время как выбросы углеводородов (HC) и оксида углерода (CO) уменьшаются по сравнению со сжиганием нефтяного дизельного топлива.Это можно объяснить более высокой температурой камеры сгорания при сжигании биодизеля. Биобутанол и обычные смеси дизельного топлива, по-видимому, способны эффективно снизить выбросы ТЧ, а выбросы NO x немного ниже, чем при сжигании чистого дизельного топлива. Более высокий уровень смешивания может привести к большему снижению. Аналогичная тенденция наблюдается и при использовании топлива, смешанного с биоэтанолом. Тенденция выбросов углеводородов диаметрально противоположна выбросам NO x . Однако влияние биоспиртов на выбросы CO все еще остается спорным и требует дальнейшего объяснения [12–14].

Реактивные двигатели можно разделить на четыре типа: турбореактивные двигатели, турбовентиляторные двигатели, турбовальные двигатели и турбовинтовые двигатели, работающие на реактивном топливе со строгими стандартами [15]. Альтернативные виды топлива для реактивных двигателей получают из ископаемых источников, таких как уголь и природный газ, экологически чистого сырья растений или животных или других потенциальных углеводородных материалов. Как правило, альтернативные реактивные топлива получают с использованием следующих методов: газификация биомассы, синтез с использованием процесса Фишера-Тропша (F-T) и гидрообработка растительных масел и жиров (гидрообработанные сложные эфиры и жирные кислоты) [16].Синтез F-T, который был предложен и разработан Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1925 году [17], включает серию химических реакций и позволяет преобразовывать синтез-газ (CO и H 2 ) в жидкие углеводороды. Sasol и Shell поставляют коммерчески доступные виды топлива F-T по всему миру. Sasol производит топливо F-T с помощью процесса преобразования угля в жидкость (CtL), а Shell — с помощью процесса преобразования газа в жидкость (GtL).

Большинство альтернативных видов топлива содержат большую долю изопарафинов и нормальных парафинов, не содержат ароматических углеводородов и серы.Более высокое содержание парафинов в альтернативных топливах приводит к более высокому содержанию C и H и, следовательно, к более высокому уровню выбросов CO 2 и H 2 O. Для большинства альтернативных видов топлива можно найти сокращение выбросов CO примерно на 20%. Нет существенной разницы в выбросах NO x , поскольку образование NO x обычно является тепловым. Выбросы SOx напрямую связаны с содержанием серы в топливе. Ароматические углеводороды являются важными предшественниками сажи. Предыдущие экспериментальные работы показали, что сжигание альтернативных видов топлива может снизить образование сажи на 60–95%, особенно при более низкой мощности [18].

Эта глава демонстрирует классификацию альтернативных видов топлива и знакомит с их характеристиками выбросов по сравнению с обычными видами топлива. Во-первых, альтернативные виды топлива для ДВС и реактивных двигателей будут обсуждаться в разделах 2 и 3, где будут рассмотрены пути производства топлива и сырье. Далее, выбросы газообразных веществ и твердых частиц (ТЧ) от ДВС, работающих на альтернативных видах топлива, будут объяснены в разделах 4 и 5. Наконец, характеристики выбросов газообразных и ТЧ реактивных двигателей будут рассмотрены в разделах 6 и 7.

Будущее двигателей внутреннего сгорания

Карлос Гон, генеральный директор Nissan и Renault, заявил, что к 2020 году на автомобили с батарейным питанием будет приходиться 10 процентов мировых продаж новых автомобилей. Г-н Гон, конечно, планирует представить как минимум четыре электромобиля в следующем году. три года. Однако независимые аналитики, такие как Тим Уркхарт из IHS Global Insight, считают, что в 2020 году автомобили с батарейным питанием будут составлять менее одного процента от общего числа новых автомобилей.

Дело в том, что электромобили сегодня непомерно дороги — одна батарея в электромобиле может стоить 20 000 долларов — и останется таковой в течение некоторого времени. Более того, электромобили не зарекомендовали себя в реальных условиях. Если автопроизводители сделают ставку на эту технологию в своем будущем, они сделают это очень постепенно. Даже с оптимистической точки зрения Гона, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) будут установлены в 90% автомобилей 2020 года. Коэй Сага, руководитель передовых технологий Toyota (включая электромобили), идет дальше: «На мой взгляд, я думаю, что мы никогда не откажемся от двигателя внутреннего сгорания.”

Но они не будут теми же двигателями внутреннего сгорания, которые используются сегодня в транспортных средствах. Поскольку федеральные стандарты экономии топлива ужесточатся на 35 процентов в течение следующих пяти лет, эффективность ИС должна резко повыситься — в противном случае мы все будем вынуждены использовать экономичные боксы.

Поговорив с ключевыми инженерами по силовым агрегатам и некоторыми независимыми изобретателями, мы изучили некоторые из технологий, которые могут повысить эффективность.

Распыление топлива непосредственно в камеры сгорания бензинового двигателя вместо его впускных отверстий — не новая идея — ее использовал немецкий истребитель ME109 времен Второй мировой войны.Mitsubishi Galant для японского рынка был первым автомобилем, в котором в 1996 году был совмещен прямой впрыск с инжекторами с компьютерным управлением. Прямой впрыск (DI) стоит дороже, чем впрыск через порт, потому что топливо распыляется под давлением 1500–3000 фунтов на квадратный дюйм, а не 50–100 фунтов на квадратный дюйм, и форсунки должны выдерживать давление и высокую температуру сгорания.

Но у DI есть ключевое преимущество: за счет впрыска топлива непосредственно в цилиндр во время такта сжатия охлаждающий эффект испаряющегося топлива не исчезает до того, как загорится свеча зажигания.В результате двигатель становится более устойчивым к детонации — преждевременному и почти взрывному сгоранию топлива, производящему стук и удару поршней под действием давления и тепла — и, следовательно, может работать с более высокой степенью сжатия — примерно 12: 1. вместо 10,5: 1. Одно это улучшает экономию топлива на два-три процента.

Кроме того, DI предлагает возможность сгорания обедненной смеси, поскольку топливная струя может быть ориентирована так, чтобы всегда была горючая смесь рядом со свечой зажигания.Это может дать на пять процентов больше эффективности.

Некоторые европейские автопроизводители уже используют эту стратегию экономии топлива. К сожалению, обедненное сжигание вызывает более высокие выбросы NOx (оксидов азота) из выхлопной трубы, что противоречит более жестким ограничениям Америки. Катализаторам, которые могут решить эту проблему, не нравится высокое содержание серы в американском бензине. Новые катализаторы обещают снизить выбросы. Между тем, к 2020 году можно ожидать, что прямой впрыск станет универсальным.

Современные двигатели достигают уровней мощности, о которых мы могли только мечтать 20 лет назад.Обратной стороной является то, что во время рутинной езды большинство двигателей бездельничают, а двигатели мощностью 300 л.с. неэффективны, когда они выкладывают только 30 лошадок, необходимых для того, чтобы протолкнуть средний седан по шоссе. Когда дроссельная заслонка двигателя приоткрыта, во впускном коллекторе создается сильный вакуум. Во время такта впуска, поскольку поршни всасывают против этого вакуума, снижается эффективность.

Классическое решение этой проблемы — сделать двигатель меньше. Маленький двигатель работает тяжелее, работает с меньшим вакуумом и, следовательно, более эффективен.Но маленькие двигатели вырабатывают меньше мощности, чем большие.

Чтобы обеспечить мощность большого двигателя при экономии топлива для малого двигателя, многие компании обращаются к двигателям меньшего размера с турбонагнетателями, прямым впрыском топлива и регулируемыми фазами газораспределения. Эти три технологии работают вместе, принося общую пользу.

Нагнетание дополнительного воздуха в камеры сгорания двигателя с помощью турбонагнетателя определенно увеличивает мощность; производители автомобилей занимаются этим годами. Но в прошлом, чтобы избежать опасной детонации, двигатели с турбонаддувом нуждались в более низких степенях сжатия, что снижало эффективность.

Как мы видели, прямой впрыск топлива помогает решить эту проблему за счет охлаждения всасываемого заряда для минимизации детонации. Во-вторых, если изменение фаз газораспределения увеличивает время, когда впускной и выпускной клапаны открыты, турбонагнетатель может продувать свежий воздух через цилиндр, чтобы полностью удалить горячие газы, оставшиеся от предыдущего цикла сгорания. А поскольку форсунки впрыскивают топливо только после закрытия клапанов, никакое из него не выходит через выпускной клапан.

Первым двигателем в Америке со всеми этими тремя элементами была база 2.0-литровый четырехцилиндровый в Audi A4 2006 года выпуска. У него была степень сжатия 10,5: 1 — такая же высокая, как у многих атмосферных двигателей — несмотря на пиковое давление наддува 11,6 фунтов на квадратный дюйм. Он производил 200 лошадиных сил и 207 Нм крутящего момента.

Система Ford EcoBoost — это не что иное, как прямой впрыск и турбонаддув. Дэн Капп, директор Ford по разработке передовых силовых агрегатов, говорит, что эта технология будет распространена на легковые и грузовые автомобили компании. «Ничто другое не дает улучшения топливной экономичности, выражаемой двузначными числами, по разумной цене.”

В будущем Ford рассчитывает заменить свой 5,4-литровый V-8 на 3,5-литровый EcoBoost V-6; его 3,5-литровый V-6 с 2,2-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost; и его 2,5-литровый рядный четырехцилиндровый двигатель с 1,6-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost. При каждом уменьшении габаритов пиковая мощность должна быть одинаковой, крутящий момент на низких оборотах должен быть примерно на 30 процентов больше, а экономия топлива должна быть на 10-20 процентов выше. Единственным недостатком будет дополнительная плата в размере 1000 долларов или около того к цене автомобилей с DI-turbo для оплаты дополнительного оборудования.

BMW, Mercedes, Toyota и Volkswagen планируют аналогичные двигатели — в некоторых из них вместо турбонагнетателей используются нагнетатели. Турбонаддув с прямым впрыском будет продолжать расширяться.

Позже в этом десятилетии мы увидим второе поколение этих двигателей, использующих более высокое давление наддува. Это позволит дополнительно уменьшить габариты двигателя и повысить эффективность на 10 процентов.

Чтобы это произошло, потребуется рециркуляция охлажденных выхлопных газов для контроля детонации и ступенчатые турбины или турбины с изменяемой геометрией, чтобы ограничить обычную задержку.Эти технологии уже используются в дизельных двигателях, но более высокие температуры выхлопных газов газовых двигателей создают проблемы с долговечностью, которые необходимо решить, прежде чем автопроизводители смогут внедрить эти технологии.

Еще один способ повысить эффективность большого двигателя — отключить некоторые из его цилиндров. Поскольку дроссельная заслонка должна открываться дальше, чтобы получить ту же мощность от остальных цилиндров, разрежение во впускном коллекторе снижается, а эффективность повышается.

В реальных условиях вождения это может привести к экономии топлива на пять процентов при довольно низких затратах. Эта технология особенно рентабельна для двухклапанных двигателей с толкателем, поэтому мы видели переменный рабочий объем на двигателях GM и Chrysler V-8.

Honda использует переменный рабочий объем на своих 24-клапанных двигателях V-6, но дополнительное оборудование для закрытия множества клапанов увеличивает стоимость. Более того, отключение некоторых цилиндров на V-6 создает больше проблем с вибрацией и шумом, чем с V-8, потому что V-6 имеют более грубые импульсы срабатывания и более плохой внутренний баланс.Активные опоры двигателя и регулируемые впускные коллекторы, необходимые для решения этих проблем, увеличивают дополнительные расходы.

Простейшая реализация системы изменения фаз газораспределения началась около 25 лет назад, с использованием двухпозиционного опережения или замедления впускного или выпускного распредвала двигателя, чтобы лучше соответствовать условиям работы двигателя. Сегодня большинство двигателей DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр имеют бесступенчатую регулировку фаз как на впускном, так и на выпускном распредвалах.

Около 20 лет назад компания Honda представила более сложный подход со своей системой VTEC, которая переключалась между двумя (а позже и тремя) отдельными наборами кулачков — одним для работы на высокой скорости, а другим — для низкой. VTEC также может просто отключить один из двух впускных клапанов цилиндра при небольших нагрузках. В 2001 году BMW пошла еще дальше, выпустив систему Valvetronic, которая может непрерывно изменять ход открытия впускных клапанов для оптимизации мощности и эффективности двигателя. Кроме того, такое расширенное управление впускными клапанами служит для замены дроссельной заслонки, что устраняет вакуум и, следовательно, снижает насосные потери.

Хотя они обеспечивают повышение эффективности, системы с переменным подъемом сложны и дороги. Продолжаются разработки чисто электронных систем, которые могли бы заменить распредвалы и просто открывать и закрывать клапаны двигателя в соответствии с компьютером. Но электронные механизмы открытия клапана также дороги и потребляют значительную мощность. Вице-президент GM Powertrain Дэн Хэнкок предполагает, что двухступенчатый механизм подъема клапана может обеспечить 90 процентов преимуществ полностью регулируемого подъема. Более того, Капп из Ford говорит, что преимущества переменного подъема клапана ограничены в сочетании с EcoBoost (DI turbo).

С другой стороны, BMW со своим последним 3,0-литровым рядным шестицилиндровым двигателем с прямым впрыском и одинарным турбонаддувом (N55), заменяющим твин-турбо (N54) во всей линейке, сделала именно это, добавив Valvetronic в свой DI- турбо-комплектация. В сочетании с переходом от шестиступенчатой ​​автоматической коробки передач к восьмиступенчатой, это изменение, как говорят, дает на 10 процентов больше миль на галлон.

Возможно, ответом будет система Fiat Multiair, конструкция с регулируемым подъемом и гидравлическим приводом, которая намного менее сложна, чем механические системы, такие как системы BMW.Ожидайте скоро увидеть Multiair на будущих автомобилях Chrysler.

Эта технология, сокращенно HCCI, по сути, представляет собой комбинацию принципов работы газового двигателя и дизеля. Когда требуется высокая мощность, двигатель HCCI работает как обычный бензиновый двигатель, сгорание которого инициируется свечой зажигания. При более скромных нагрузках он работает больше как дизель, сгорание которого инициируется просто давлением и теплотой сжатия.

В дизельном двигателе сгорание начинается, когда топливо впрыскивается поршнем в верхней части такта сжатия, и сгорание регулируется скоростью впрыска топлива. Однако с HCCI топливо уже впрыскивается и смешивается с воздухом до начала такта сжатия.

Поскольку только сжатие инициирует сгорание, это больше серьезный удар, чем даже резкий рабочий ход дизеля. Благодаря тому, что двигатель достаточно крепкий, чтобы избежать разрыва, HCCI по крайней мере такой же тяжелый, как дизель.Ключевым моментом является достижение достаточного управления сгоранием, чтобы цикл HCCI можно было использовать в максимально широком диапазоне скоростей и нагрузок, чтобы извлечь выгоду из эффективности.

Один из способов расширить режим HCCI — использовать переменную степень сжатия, что Mercedes сделала на своем экспериментальном двигателе Dies-Otto. Но другие инженеры, такие как Хэнкок из GM, хотели бы избежать этой проблемы. «Чтобы заставить HCCI работать, нам нужен очень хороший контроль над процессом сгорания с помощью более быстрого компьютера управления двигателем и обратной связи по давлению сгорания.”

Все это звучит сложно, но выигрыш может заключаться в 20-процентном улучшении экономии топлива без улавливателей твердых частиц и катализаторов NOx, которые необходимы дизелям. Этого достаточно, чтобы поддержать интерес крупных игроков. Хэнкок предполагает, что HCCI может поступить в производство к концу этого десятилетия, возможно, как эффективный двигатель для подключаемого гибрида, потому что ему нужно только работать в небольшом диапазоне оборотов для питания генератора.

Выключение двигателя при остановке на светофоре определенно может сэкономить топливо.Компьютер управления двигателем легко запрограммировать так, чтобы он останавливал двигатель, когда скорость автомобиля упадет до нуля, и перезапускал его, когда водитель убирал ногу с педали тормоза. Стартер и аккумулятор могут нуждаться в усилении, чтобы выдерживать более частое использование, но это не техническая проблема.

Mazda придумала более простой метод выполнения подвига «стоп-старт». В своей системе, называемой i-stop, компьютер останавливает двигатель, когда один из поршней проходит только верхнюю точку такта сжатия.Для повторного запуска в цилиндр впрыскивается топливо, зажигается свеча зажигания, и двигатель мгновенно снова запускается.

К сожалению, хотя эти системы могут сэкономить до пяти процентов расхода топлива в городских условиях, испытательные циклы Агентства по охране окружающей среды демонстрируют только 1 процентную выгоду из-за ограниченного времени простоя. В результате большинство производителей не хотят вкладывать средства в технологию, которая не очень помогает им в достижении целей CAFE, независимо от реальной выгоды.

Одним из недостатков этанола на основе кукурузы является то, что современные двигатели с гибким топливом обычно не используют в полной мере преимущества E85 с октановым числом 95.Но легко представить себе двигатель с турбонаддувом DI второго поколения, который работает с более высоким давлением наддува при сжигании E85. Такой двигатель мог бы быть в два раза меньше нынешней безнаддувной силовой установки с существенно более высокой экономией топлива. А когда заправлялся чистым бензином, компьютер просто уменьшал наддув. Двигатель потерял бы часть мощности, но без ущерба для долговечности или топливной экономичности.

Более радикальный способ использовать более высокое октановое число этанола — это «система повышения концентрации этанола» (EBS), над которой работают несколько профессоров Массачусетского технологического института, а также Нил Ресслер, бывший топ-менеджер Ford по технологиям.

Идея проста. Начните с двигателя DI-turbo и добавьте к нему обычную систему впрыска топлива. Затем добавьте второй небольшой топливный бак и залейте в него E85. При умеренных нагрузках двигатель работает на бензине и левом впрыске. Но когда вы требуете большей мощности и появляется наддув, система DI вводит E85. E85 не только имеет более высокое октановое число, чем бензин, но и обладает более сильным охлаждающим эффектом. Это обеспечивает безопасную работу наддува выше 20 фунтов на квадратный дюйм.

Форд проявил серьезный интерес к проекту.Для пикапов 5,0-литровый двигатель EBS с двойным турбонаддувом может заменить 6,7-литровый дизель в грузовике Super Duty. Он будет развивать такую ​​же мощность и крутящий момент, обеспечивать такую ​​же топливную экономичность и дешевле в изготовлении, поскольку не требует какой-либо дорогостоящей дополнительной обработки выхлопных газов дизеля.

При нормальном использовании расход E85 составляет менее 10 процентов от расхода бензина. Таким образом, вы экономите много газа, потребляя лишь небольшое количество этанола. Двигатель EBS кажется технически исправным и уже прошел предварительные испытания.Мы ожидаем, что в ближайшие пять лет он в той или иной форме попадет в производство.

Новые творческие концепции двигателей — пруд пруди. Наш технический директор обычно хранит толстый файл с надписью «сумасшедшие двигатели». Большинство из них даже не достигают стадии прототипа. И даже те, которые построены, обычно гаснут из-за проблем, связанных с долговечностью, сложностью конструкции или эффективностью. Лишь немногие, кто преодолеет этот этап, сталкиваются с тяжелой битвой с автопроизводителями, которые вложили миллиарды в создание обычных двигателей, доказавших свою надежность и производительность.

Одной из немногих перспективных концепций двигателей является двухтактный OPOC от EcoMotors. OPOC означает «оппозитный поршень и оппозитный цилиндр». Чтобы визуализировать двигатель, начните с горизонтально расположенного четырехцилиндрового двигателя, такого как Subaru Legacy. Затем выдвиньте цилиндры и потеряйте головки цилиндров, чтобы освободить место для второго набора поршней в каждом цилиндре, которые движутся противоположно обычным поршням. Длинные шатуны передают движение этих дополнительных поршней на коленчатый вал.

Как и в обычном двухтактном двигателе, дыхание происходит через отверстия по бокам цилиндров. Но в двигателе OPOC впускные и выпускные каналы находятся на противоположных концах цилиндров. Когда поршни двигаются, выхлопные газы открываются до того, как воздухозаборники и турбокомпрессоры продувают воздух через цилиндры, чтобы вытолкнуть выхлопные газы и заполнить их чистым воздухом. Поскольку для этого двигателю требуется положительное давление, турбонагнетатели оснащены электродвигателями, которые приводят их в действие на низких оборотах, когда энергия выхлопных газов низкая.

Хотя первые двигатели OPOC являются дизельными, концепция также может работать на бензине. В любом случае форсунка прямого подачи топлива находится в центре цилиндра, где две головки поршня почти встречаются, и именно здесь свеча зажигания будет в газовой версии.

Если замысел OPOC кажется радикальным, его поддерживают твердые люди. Конструктором двигателя является Петер Хофбауэр, бывший главный инженер Volkswagen. Генеральный директор EcoÂMotors — Дон Ранкл, бывший топ-менеджер Delphi and GM.Президентом является Джон Колетти, легендарный бывший руководитель подразделения SVT компании Ford. А выдающийся производитель выхлопных газов Алекс Борла входит в совет директоров. Большая часть финансирования компании поступает от Винода Хосла, мегаинвестора Кремниевой долины.

К настоящему времени прототипы двигателя OPOC продемонстрировали на 12-15% более высокий КПД, чем обычные поршневые двигатели, в первую очередь из-за отсутствия головок цилиндров, устраняя большую поверхность, через которую тепло сгорания передается охлаждающей жидкости, и отсутствие клапанного механизма, который снижает трение примерно на 40 процентов.

Кроме того, поскольку каждый двухцилиндровый и четырехпоршневой модуль идеально сбалансирован, в четырехцилиндровой версии двигателя можно полностью разъединить одну пару цилиндров при небольших нагрузках. Это не только снижает насосные потери, но и полностью исключает трение из-за неисправного цилиндра, повышая топливную экономичность еще на 15 процентов.

На данный момент Колетти утверждает, что очевидных проблем нет: «Выбросы выглядят хорошо, как и потребление масла.Меня ничего не беспокоит ». Ранкл добавляет, что из-за меньшего количества деталей — без головок или клапанного механизма — двигатель должен быть на 20 процентов дешевле в производстве, чем современный V-6. «Мы работаем над двумя семействами двигателей. EM100d — это дизель со 100-миллиметровым диаметром цилиндра, развивающий 325 лошадиных сил, а EM65ff — с диаметром цилиндра 65 мм и мощностью около 75 лошадиных сил в двухцилиндровом варианте на бензине ».

Двигатель находится в нескольких годах от производства. Для небольшой растущей компании без огромных инвестиций в обычные двигатели — подумайте, китайские или индийские — двигатель OPOC является привлекательным.Военный контракт также проложит путь к приемлемости для гражданского населения.

Как уже упоминалось, возможность изменить степень сжатия работающего двигателя поможет заставить работать HCCI. Большинство таких схем включают в себя какое-то изменение либо хода поршня двигателя, либо расстояния от коленчатого вала до камеры сгорания. Оба подхода механически проблематичны. Умные инженеры Lotus придумали более простой способ изменить компрессию двигателя.Они создали головку блока цилиндров с подвижной частью — они называют ее шайбой — которая может выходить в камеру сгорания. При полностью втянутой шайбе степень сжатия составляет 10: 1. Когда он продлен в головку, он уменьшает объем камеры сгорания, тем самым увеличивая соотношение до 40: 1. Для этой шайбы есть место, потому что двигатель, который Lotus называет «Всеядным», является двухтактным без каких-либо клапанов. Вместо этого впускной и выпускной потоки проходят через отверстия в стенках цилиндров. Впрыск топлива происходит непосредственно в цилиндр с помощью пневматической системы, разработанной Orbital для другого двухтактного двигателя, над которым компания работает около 30 лет.Lotus утверждает, что двигатель Omnivore может широко работать в режиме HCCI и обеспечивает 10-процентный прирост топливной эффективности по сравнению с нынешними бензиновыми двигателями DI. Благодаря переменной степени сжатия он также может работать на различных видах топлива, отсюда и его название. На данный момент двигатель представляет собой только одноцилиндровый исследовательский проект. Умно, но будет ли оно продвигаться дальше — неизвестно.

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 сайте piano.io.

ДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬ

ДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬ
ДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬ Фред Лэндис

Автономные устройства, преобразующие электрические, химические, или ядерная энергия в механическую, называются двигателями и двигатели. Во многих регионах мира они заменили людей и сила животных, обеспечивающая энергией для транспортировки и вождения всевозможные машины.Химическая энергия топлива может быть преобразована путем сгорания в тепловую или тепловую энергию в тепловом двигателе. Двигатель, в свою очередь, преобразует тепловую энергию в механическую. энергия, как в двигателях с приводными валами. Когда происходит возгорание в той же единице, которая производит механическую энергию, устройство называется двигателем внутреннего сгорания. Автомобильный бензин или дизельные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания. Паровой двигатель, с другой стороны, это двигатель внешнего сгорания котел отдельно от двигателя.Электродвигатели преобразуют электрические энергия в механическую энергию.

Тепловые двигатели

Термин тепловой двигатель включает все двигатели, производящие работа или передача энергии, работая между высокими и низкие температуры и часто между высоким и низким давлением также. Самыми распространенными тепловыми двигателями являются двигатели внутреннего сгорания. двигатели, особенно бензиновые.

Бензиновые двигатели работают на смесь воздуха и паров бензина, которая обычно втягивается в поршневой механизм и сжатый поршнем.Как объем камеры уменьшается, давление и температура внутри него увеличиваются. Вблизи точки максимального сжатия пар горючего воспламеняется от искры. Горячие газы расширяются и заставляют поршень вниз в так называемом рабочем ходе, обеспечивая работать через шток поршня к коленчатому валу. Остаточные газы затем изгоняются, и процесс повторяется.

В обычно используемом четырехтактном двигателе компрессия и процесс расширения происходит за один оборот коленчатого вала.Первый ход называется тактом впуска, второй — тактом сжатия. Инсульт. Во время второго оборота следует рабочий ход. тактом выпуска, когда отработанные газы выбрасываются. потом втягивается смесь свежего воздуха и паров бензина. В двухтактных двигателях выхлоп происходит в конце рабочего такта, в то время как свежая воздушно-бензиновая смесь вводится вначале такта сжатия. Большинство двухтактных двигателей ограничены к небольшим двигателям, таким как те, которые используются в газонокосилках и некоторых небольших мотоциклы.Двигатели инжекторного типа впрыскивают бензин в виде штрафа. распылите непосредственно перед горением. Другой тип бензинового двигателя — это вращающийся двигатель Ванкеля. Он состоит из треугольного ротора. в почти эллиптическом корпусе. Формируются воздушные камеры в форме полумесяца между ротором и корпусом служат камеры сгорания.

Дизельные двигатели Первоначально сжимать воздух до гораздо более высокого давления и температуры, чем бензиновые двигатели. Затем впрыскивается топливо и зажигается без Искра.Требуемое более высокое давление делает дизельные двигатели тяжелее. и дороже бензиновых двигателей; однако они обычно более эффективным. Они используются в основном в автобусах, грузовиках, локомотивах, и на некоторых электростанциях.

Газотурбинные двигатели использование роторный компрессор для сжатия непрерывного потока входящего воздух, тем самым повышая температуру воздуха. Затем воздух проходит через камеру сгорания, куда впрыскивается и сжигается топливо.Газ, находящийся под высоким давлением и температурой, расширяется. через турбину, обеспечивая мощность для привода компрессора. На выходе из турбины газы все еще имеют температуру и давление. выше наружного воздуха. В авиационном реактивном двигателе оставшиеся газ расширяется через сопло, образуя высокоскоростную струю, которая создает тягу для приведения в движение самолета. В качестве альтернативы газ, выходящий из первой турбины, может быть расширен через вторую турбина, которая затем может приводить в действие электрогенератор или, в корпус реактивного двигателя, воздушный винт.Газотурбинные двигатели менее эффективны, чем дизели, но могут производить больше мощности для заданного размера. Таким образом, они часто используются для резервного питания от электрических коммунальные услуги.

Ракетные двигатели используют два химические вещества, которые при соединении выделяют химическую энергию, которая увеличивает температура и давление в ракетной камере. Горячие газы затем позволяют расширяться через сопло для создания тяги. Топливо может быть жидким или твердым. Потому что ракетные двигатели могут работать вне атмосферы Земли, они являются двигательными установками используется в космических кораблях.

Двигатели паровые двигатели внешнего сгорания двигатели, которые сжигают топливо в отдельном котле для производства пара на высокое давление и температура. Затем пар расширяется возвратно-поступательно. двигатель или турбина. Пар низкого давления обычно конденсируется. поливать перед закачкой обратно в бойлер. В паре локомотив, однако, расширенный пар сдувается.

Паровые двигатели медленные, тяжелые, неэффективные и сегодня используются редко.Вместо этого современные крупные паровые электростанции использовать паровые турбины, которые могут работать при гораздо более высоких температурах и давления и может обрабатывать больше пара. Паровые турбины могут поставлять больше мощности, чем у больших дизелей, при меньших затратах.

Ионные двигатели были предлагается к космическому полету. Их источником топлива было бы легко ионизируемое вещество, такое как металлический цезий, для доставки ионов или заряженные частицы. Генератор или солнечные батареи произведут электрическое поле, которое достаточно сильно отталкивает ионы выбрасывать их из двигателя, создавая тягу.Такой двигатели будут производить очень небольшую тягу, но они должны быть в состоянии работать в течение длительного времени в межзвездном полете.

Электродвигатели

Электродвигатели состоят из двух механических частей: статор, или неподвижная часть, и ротор, или вращающаяся часть, и два набора электрических обмоток возбуждения и якоря. Электромагнитный поля, создаваемые в воздушном зазоре между статором и ротором взаимодействуют друг с другом и создают крутящий момент или крутящую силу, который вращает мотор.Выходная мощность является продуктом крутящий момент и скорость вращения. Двигатель классифицируется как двигатель постоянного тока (прямой ток) или AC (переменный ток), в зависимости от источника питания.

Асинхронные двигатели наиболее широко применяемые двигатели переменного тока. Обмотка возбуждения обычно намотана в прорези, расположенные вокруг железного статора для образования магнитных полюсов. В обмотках статора создается вращающееся электрическое поле. наводит токи в обмотках ротора.Взаимодействие между эти два поля создают крутящий момент для вращения двигателя. Мотора скорость меняется в зависимости от нагрузки.

Синхронные двигатели работают с фиксированной скоростью независимо от нагрузки. Однофазный гистерезис двигатели используются в небольших устройствах с постоянной скоростью, таких как электрические часы и фонографы. Обмотки статора соответствуют обмоткам Индукционный двигатель. Источник поля предоставляется либо прямым током или постоянным магнитом.

Двигатели постоянного тока обеспечивают крутящий момент и управление скоростью по более низкой цене, чем блоки переменного тока, и механически более сложный. Обмотка полюсного поля на статоре состоит из магнитных полюсов, каждый из которых имеет множество витков, по которым проходит небольшой ток. Обмотка якоря размещается на роторе концами каждой катушка подключена к противоположным стержням. По мере вращения ротора удельный катушка, по которой течет ток, изменяется, но ее расположение относительно стационарное поле остается фиксированным.


Источник: Интерактивная энциклопедия Комптона.

Современный двигатель внутреннего сгорания

Современный двигатель внутреннего сгорания

Джоаб Камарена


7 декабря 2015 г.

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2015 г.

Введение

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — вот что движет большинство автомобилей сегодня и существует уже много лет.ICE имеет подвергся многочисленным изменениям исключительно с целью улучшения выходная мощность и минимизация потерь энергии. Как работает процесс что есть впуск через отверстия портов, который толкает поршень вниз начало его цикла сжатия и декомпрессии, с энергией от этого передается на коленчатый вал, позволяя движение автомобиль. Более распространенный двигатель внутреннего сгорания основан на четырех ход поршня для завершения своего цикла и высвобождения энергии для перемещения средство передвижения.[1-3]

Как это работает

В этом цикле четыре этапа: 1) прием, 2) компрессия, 3) сгорание и рабочий ход, и, наконец, 4) выхлоп (Рисунок 1). Вот как это работает:

  1. Впуск: Топливо-воздушная смесь входит в цилиндр, когда поршень опускается и впускной открывается.

  2. Сжатие: При закрытии на впуске топливно-воздушная смесь увеличивается по давлению и температура, поскольку поршень сжимает газ, перемещая вверх.

  3. Горение и удар: Энергия выделяется в результате реакции горения, вызванной зажигание свечи зажигания, воспламеняющей топливно-воздушную смесь и доводит до высокой температуры. По мере увеличения смеси по температуре и давлению он давит на поршень, следовательно, вызывая рабочий ход, который вращает коленчатый вал.

  4. Выхлоп: Побочные продукты, образующиеся затем реакция горения выпускается через выхлоп трубу, и цикл повторяется, когда впускное отверстие открывается и выпускается клапан закрывается.[2,3]

Энергетический анализ

Хотя это обычно используемый двигатель в транспортных средствах сегодня это не значит, что он самый эффективный. Горение неэффективность измеряет часть энергии, которая не используется из топливо. Установлено, что тепловые потери теплоносителя и тепловые потери энергии выхлопных газов являются самыми большими источниками тепловых потерь, что способствует отсутствию оборота энергии. Постоянно утверждается, что Второй закон Термодинамика не позволяет всем двигателям достигать максимальной температуры. эффективность, но это не означает, что мы не можем улучшить коэффициент конверсии энергии.Постоянные инновации и модернизация внутреннего сгорания двигатель позволили улучшить преобразование энергии топлива. [4]

Заключение

Знать, как работает двигатель внутреннего сгорания и в чем заключается его неэффективность, правильная технология и дизайн двигатель внутреннего сгорания позволит нам лучше использовать энергию в топливе. Хотя цены на газ постоянно колеблются, наиболее вероятной тенденцией в будущем будет повышение цен на газ, что только заставит двигаться к разработке высокоэффективных автомобилей сильнее.Это возможно даже при постоянном диалоге о отказ от ископаемого топлива и последствия изменения климата, что, наряду с нашим нынешним технологическим бумом мы больше не будем полагаться на двигатель внутреннего сгорания для транспортных средств будущего.

© Жоаб Камарена. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с указание на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] J. R. Clarke et al. , «Индукция двигателя Система и метод », Патент США 4860709, 29 августа 89 г.

[2] Д. К. Джанколи, Физика: принципы с Приложения, 7-е изд. (Addison-Wesley, 2013), стр. 421.

[3] Б. Кроу, «Внутренний Двигатель внутреннего сгорания, Physics 240, Стэнфордский университет, осень 2012 г.

[4] М. Баглионе, М.Дьюти и Г. Панноне, «Автомобиль». Методология системного энергетического анализа и инструмент для определения транспортного средства Подсистема энергоснабжения и спроса », Технический документ SAE 2007-01-0398, г. 16 апреля 07.

Искра двигателя внутреннего сгорания вот-вот погаснет?

После столетия доминирования под капотами мировых автомобилей бензиновый двигатель с поршневым двигателем постепенно заменяется батареями или топливными элементами.

Этот сдвиг, вызванный в основном регулированием, поскольку страны стремятся декарбонизировать, ставит автопроизводителей перед дилеммой: могут ли они позволить себе инвестировать как в аккумуляторы, так и в технологию сжигания?

Несмотря на улучшения за последние десятилетия, система внутреннего сгорания все еще далека от совершенства.«По сравнению с современными двигателями сегодня мы определенно можем увидеть пути повышения максимальной эффективности примерно на 30 процентов», — говорит Адриан Грини, директор по двигателям Ricardo, британской компании, которая поставляет двигатели для суперкаров McLaren. .

История усовершенствования двигателей — это в большей степени история прогресса, достигнутого в результате нескольких небольших прорывов, а не каких-либо серьезных изменений.

Каждая настройка может повысить эффективность на один или два процента, что, вместе взятые, имеет огромное значение.Основы сгорания остались неизменными, но сегодняшний двигатель практически неузнаваем по мощности и характеристикам по сравнению с двигателями прошлых десятилетий.

Рекомендуется

«Бензиновый двигатель претерпел значительные изменения за последние десять лет, включая внутреннее трение, изменение фаз газораспределения, непосредственный впрыск и турбонаддув, и это лишь некоторые из них, — говорит Томас Вебер, руководитель отдела развития Mercedes-Benz. «И это будет способствовать дальнейшему прогрессу».

Одним из таких изменений является прямой впрыск топлива: распыление тумана бензина в цилиндр расходует меньше топлива.Десять лет назад объем продаж увеличился с 3 процентов автомобилей до половины автомобилей, проданных в США.

Другой — турбонаддув. Когда-то излюбленная технология стритрейсеров с модифицированными автомобилями, технология, при которой выхлоп приводит в действие турбину, всасывающую больше воздуха в двигатель, теперь широко распространена.

Исторически сложилось так, что времена резких изменений совпадали с регулированием, особенно в отношении выбросов CO2 в Европе или экономии топлива в США.

В 1975 году в США были введены корпоративные стандарты средней экономии топлива, известные как «кафе», заставляющие автопроизводителей регистрировать эффективность своих автомобилей.В течение десяти лет экономия топлива в автомобилях США увеличилась вдвое.

Сегодня автопроизводителям в Европе грозят штрафы, если они не соблюдают новые ограничения на выбросы CO2, которые вступают в силу 1 января. Производители должны снизить свои выбросы в среднем до 95 г CO2 на км, в противном случае им грозят штрафы, которые могут составить миллиарды евро .

ЕС требует дополнительных 37.К 2030 году выбросы снизятся на 5% по сравнению с показателями 2021 года, что вызвало гнев отрасли.

Однако Элизабет Кестингер, министр устойчивого развития Австрии, говорит, что поставленные цели являются «важным сигналом в нашей борьбе с изменением климата».

Таковы темпы повышения эффективности, которые требуют автопроизводители, переходя на электрификацию и наполняя свои автомобили аккумуляторами или гибридными системами.

Volkswagen пообещал, что к 2025 году четверть его автомобилей будут полностью электрическими, в то время как Volvo заявила, что к этой дате половина его автомобилей будет работать только от батарей.

Это поднимает вопрос, будут ли они игнорировать какие-либо достижения в технологии сжигания старой школы. Компания Daimler заявила, что не будет инвестировать в такие разработки после 2025 года.

Из-за жизненного цикла двигателей, который может длиться до 15 лет, автопроизводители, разрабатывающие новые двигатели во второй половине 2020-х годов, будут видеть их в продаже в 2040-е годы, когда правительства нескольких стран, включая Великобританию и Францию, планируют запретить использование некоторых транспортных средств с традиционными двигателями.

Для инженеров аккумуляторы открывают новые возможности, особенно для гибридных автомобилей. Добавление аккумулятора в смесь снижает нагрузку на двигатель, позволяя ему работать только в тех случаях, когда он может работать с максимальной эффективностью или близкой к ней.

«В основном вы используете электрическую энергию, чтобы двигатель работал с максимальной эффективностью», — говорит г-н Грини. Аккумуляторы также можно использовать для поддержания оптимальной температуры двигателя около 90 ° C.

Стоимость приведения традиционных двигателей в соответствие с более строгими правилами выбросов может окончательно убить технологию.Герберт Дисс, генеральный директор Volkswagen, ранее предсказывал, что стоимость дизельного двигателя вырастет на 2000 евро в период с 2016 по 2020 год в результате изменений.

Кроме того, поскольку инвестиционные затраты окупаются за счет оптовых продаж, разработки, которые подпитывают только сокращающееся количество традиционных двигателей, в конечном итоге обойдутся заказчикам дороже.

Г-н Грини из Ricardo добавляет: «Нехорошо разрабатывать лучшую в мире технологию производства двигателей, если никто не может позволить себе развернуть ее и получить выгоду.”

Почему двигатель внутреннего сгорания?

«А не скоро ли мы все будем ездить на электромобилях?»

Это вопрос, который я часто задаю, когда говорю кому-то, что работаю в Achates Power, компании, которая разрабатывает чистый, более экономичный дизельный двигатель. Мой ответ: «вряд ли».

С 1860-х годов двигатель внутреннего сгорания (ДВС) играет важную роль на транспорте. Совсем недавно Министерство энергетики США опубликовало свой четырехгодичный обзор технологий, в котором говорится: «Производительность, низкая стоимость и топливная гибкость ДВС делают вероятным, что они будут продолжать доминировать в автопарке, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий».

Так почему двигатель внутреннего сгорания, а не аккумуляторно-электрическая трансмиссия? Причина проста: до тех пор, пока автомобили несут собственный источник энергии, трудно превзойти формы энергии, которые имеют наибольшую плотность (как по весу, так и по объему), легко доступны и экономичны. Жидкие углеводороды — это всего лишь. Дизельное топливо имеет примерно в 100 раз большую гравиметрическую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор. Батареи Tesla Roadster, например, весят 450 кг и обладают такой же энергоемкостью, как менее 1.5 галлонов (4,5 кг) дизельного топлива. Увеличение веса и размера автомобилей снижает их эффективность. Кроме того, батареи стоят дорого — из того, что я читал, около 36 000 долларов для Tesla и 8 000 долларов для батарей Chevy Volt.

Дополнительным преимуществом двигателей внутреннего сгорания является то, что дизельное топливо и бензин, как и жидкости, легко транспортируются, широко доступны и могут быть быстро заправлены топливом. Чего нельзя сказать об их аккумуляторных аналогах. Сегодня на дорогах находится один миллиард транспортных средств, а в будущем ожидается два миллиарда, поэтому в настоящее время нет инфраструктуры для удовлетворения потребностей в заправке электромобилей.А время подзарядки до восьми часов делает заправку в лучшем случае сложной задачей.

В будущем я ожидаю, что некоторые легковые и грузовые автомобили будут электрифицированы, поскольку производители ищут способы повышения эффективности.
Однако, когда дело доходит до грузовиков для дальних перевозок, электрификация не подходит. Количество энергии, необходимое для перевозки 80 000 фунтов по стране, слишком велико для аккумуляторов. Проблема возрастает для кораблей и самолетов, поэтому мы будем использовать жидкие углеводороды — почти идеальный способ хранения энергии — в течение длительного времени, даже если в конечном итоге жидкие углеводороды поступают из источников, не связанных с нефтью, таких как водоросли, биотопливо или газ. к жидкостям.

Двигатели внутреннего сгорания никуда не денутся. Просто прочтите отчет бывшего министра транспорта США Нормана Минета, в котором говорится, что «самый быстрый и экономически эффективный способ достичь наших целей в области энергопотребления — это более быстрое внедрение экономичных бензиновых и дизельных двигателей с уменьшенными габаритами». В Achates Power мы разрабатываем более эффективный двигатель внутреннего сгорания, который не только снижает расход топлива, но и соответствует строгим стандартам выбросов. Есть очень серьезная обеспокоенность по поводу доступности нефти в будущем, и мы не сбрасываем ее со счетов.Но мы понимаем необходимость создания более совершенного двигателя, устойчивого как с экономической, так и с экологической точки зрения.

Девять стран заявили, что запретят двигатели внутреннего сгорания — Quartz

Двигатель внутреннего сгорания, похоже, находится на последнем этапе. За последние несколько лет более девяти стран и десятка городов или штатов объявили о том, что СМИ назвали «запретами». Мэр Копенгагена Фрэнк Дженсен хочет, чтобы в городе прекратили выпуск новых дизельных автомобилей, начиная со следующего года. В декабре прошлого года Париж, Мадрид, Афины и Мехико заявили, что к 2025 году откажутся от дизельных автомобилей и фургонов.Норвегия откажется от обычных автомобилей к 2025 году, за ней следуют Франция и Великобритания в 2040 и 2050 годах соответственно.

Тем не менее, несмотря на все эти обязательства, ни одна страна не приняла закон, запрещающий что-либо. «Буквально нет ни одного запрета на книги в нормативной лексике, который мог бы применяться на любом автомобильном рынке в мире», — сказал по телефону Ник Лютси, директор Международного совета по чистому транспорту (ICCT). Это не делает их бессмысленными. Политики, большинство из которых уйдут с поста к моменту вступления в силу запретов, не могут связать своим преемникам руки на десятилетия вперед.Например, президент США Трамп уже пытается лишить Калифорнии полномочий в соответствии с Законом о чистом воздухе устанавливать свои собственные стандарты загрязнения и требования к электромобилям. В случае успеха Трамп отменит законопроекты, подобные предложенному в прошлом году законодательным собранием штата о прекращении производства и регистрации новых бензиновых автомобилей в Калифорнии к 2040 году.

Но риторика призывает автопроизводителей подготовиться, как только технология будет готова. «Эти правительства сигнализируют миру, что им необходимо перейти на автомобили с нулевым уровнем выбросов, чтобы достичь своих целей в области климата и качества воздуха», — говорит он.«Все их модели [выбросов] говорят об одном и том же: они не могут достичь своих целей в области климата и выбросов в кратчайшие сроки без транспортных средств с нулевым уровнем выбросов».

Даже без конкретных законов страны полагаются на кнут и пряник. Большинство так называемых «запретов» на двигатели внутреннего сгорания на самом деле являются ограничениями на продажу новых автомобилей с дизельным двигателем, наряду с финансовыми стимулами или штрафами для ускорения продаж электромобилей и транспортных средств на альтернативном топливе в ближайшие годы. Европейские страны проводят самую агрессивную политику, чтобы склонить чашу весов против бензина и дизельного топлива.Норвегия, где в 2017 году 52% продаж новых автомобилей приходилось на электрические, дарит покупателям электромобилей тысячи долларов в виде льгот, таких как бесплатная или субсидируемая парковка, дорожные сборы и зарядка, а также щедрые налоговые льготы. В Великобритании, где покупатели также получают налоговые льготы на экологически чистые автомобили, Лондон расширяет «зону сверхнизких выбросов», вводя ежедневную плату в размере 12,50 фунтов стерлингов (16,39 доллара США) за автомобили, которые считаются слишком загрязняющими (обычно это обычные автомобили, зарегистрированные после 2005 года). Эти стандарты вступят в силу в апреле следующего года и со временем будут ужесточаться.

В другом месте заявления, в лучшем случае, обнадеживающие, сказал Лютси. По его словам, большинство из них сводится к «звуковым фрагментам, цитатам из служителей, ответам на вопросы СМИ после выступлений и общей публикации в Интернете». Задача Индии по выпуску полностью электрических транспортных средств к 2030 году зависит от снижения затрат. Китай просто начал «соответствующие исследования» для определения графика поэтапного отказа от двигателей внутреннего сгорания. Даже канцлер Германии Ангела Меркель, которая назвала постепенный отказ Великобритании и Франции от автомобилей, работающих на ископаемом топливе, к 2040 году «правильным подходом», отказалась назвать дату.

Эффект распространяется на автомобильную промышленность, несмотря ни на что. За последние два года автопроизводители поспешили развернуть планы по электрификации своих автомобилей. Daimler потратит 11,7 миллиарда долларов на строительство 10 полностью электрических и 40 гибридных моделей с планами электрифицировать всю свою линейку, сообщает Reuters. Volkswagen AG планирует электрифицировать свои 300 или около того моделей к 2030 году. Ford заявляет, что делает все возможное для электромобилей, в то время как GM добавляет еще две электрические модели наряду с Chevy Bolt, в конечном итоге полностью отказавшись от двигателя внутреннего сгорания.Китайская компания Volvo выпускает электрические модели только с 2019 года.

Тем не менее, пройдут десятилетия, прежде чем эти новые автомобили смогут вытеснить свои традиционные аналоги. Автопроизводители должны проектировать новые автомобили, расчищать существующие запасы и ждать, пока автопарк обновится, пока водители обменивают старые автомобили (в США это около 11 лет). По оценке FleetCarma, на то, чтобы соответствовать новому закону, требуется около 18 лет, чтобы всего половина автомобилей на дорогах соответствовала требованиям. Поскольку средний автомобиль дольше находится в обращении, автомобили, покупаемые сегодня, легко столкнутся с предлагаемыми запретами в некоторых странах.

Отвращение политиков к двигателям внутреннего сгорания, возможно, уже снижает рыночную долю дизельных автомобилей и их стоимость при перепродаже. Хотя мошенничество Volkswagen с загрязнением является одним из факторов, запрет на дизельное топливо, похоже, дает эффект. ICCT сообщает, что доля новых регистраций дизельного топлива упала на 8% с 2015 года во Франции, Германии, Италии, Испании и Великобритании. В Великобритании и Германии дизельные автомобили потеряли от 6% до 17% своей стоимости при перепродаже в первой половине 2017 года. Многие ожидают, что тот же сценарий вскоре поразит и бензиновые автомобили.

Изменения в городах и таких странах, как Норвегия, будут происходить относительно быстро, но глобальная траектория будет медленной и устойчивой. Не раньше 2025 года или около того средняя стоимость электромобиля упадет ниже, чем у бензинового или дизельного автомобиля (в большинстве случаев уже намного дешевле эксплуатировать электромобиль). Однако когда это произойдет, политики смогут свободно принимать законы, которые они обещали, когда будет готова доступная технология для замены двигателей внутреннего сгорания.

Quartz рассмотрел все объявления, ограничивающие использование автомобилей с двигателями внутреннего сгорания по всему миру.Ни одно из них не означало юридических запретов, но большинство из них устанавливали цели и сроки поэтапного отказа от дизельных, а затем бензиновых двигателей в период с 2025 по 2050 год. Сводка каждого объявления приводится ниже.

Юрисдикция Что ограничено? Источник
Копенгаген, Дания Запрет новых дизельных автомобилей въезд в столицу Дании

Мэр Копенгагена заявил в прошлом году, что он введет закон, запрещающий дизельные автомобили, зарегистрированные после 2018 года.«Это не право человека — загрязнять воздух для других. Вот почему необходимо постепенно отказываться от дизельных автомобилей », — сказал он датской газете Politiken

Рим, Италия Запрет дизельных автомобилей из центра города к 2024 году Мэр Вирджиния Рагги объявил о плане запретить дизельные автомобили в центре города к 2024 году. «Если мы хотим серьезно вмешаться, мы должны набраться смелости и принять решительные меры», — написала она 27 февраля на своей странице в Facebook.
Норвегия Целевой показатель по прекращению продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем к 2025 году В 2016 году норвежские политики согласились с амбициозной целью поэтапного отказа от всех обычных автомобилей: «Существует соглашение о нулевом объеме новых ископаемых видов топлива. Топливные автомобили проданы с 2025 года.Нет прямого запрета, но требуются решительные действия », — написал в Твиттере тогдашний министр окружающей среды и изменения климата Норвегии Видар Хельгесен в 2016 году. Сегодня почти 40% всех автомобилей, продаваемых в Норвегии, — электрические или гибридные.
Афины, Париж, Мадрид, Мехико Конечное использование всех дизельных автомобилей к 2025 году На конференции 2016 года руководители города обязались «прекратить использование всех дизельных автомобилей и грузовиков к середине следующее десятилетие »и стимулировать электромобили, водородные и гибридные автомобили.
Париж Запрет на дизельное топливо в городе к 2025 году. Запрет на все автомобили внутреннего сгорания к 2030 году. Париж пообещал запретить дизельные двигатели к 2025 году и постепенно отказаться от всех автомобилей с двигателями внутреннего сгорания к 2030 году. — сказал Кристоф Найдовски, глава Парижской транспортной политики в октябре 2017 года, — сказал Кристоф Найдовски, руководитель отдела транспортной политики Парижа. «Транспорт — один из основных производителей парниковых газов… поэтому мы планируем отказаться от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, или транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, к 2030 году.
Индия К 2030 году не будет новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем (если экономически выгодно) В 2017 году правительство Индии заявило, что «к 2030 году все автомобили, продаваемые в Индии, могут быть электрическими». План энергетического ведомства будет зависеть от того, насколько сильно упадут затраты на электромобили, чтобы сделать его экономичным.
Ирландия Никаких новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем к 2030 году Страна запретит продажу всех автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем к 2030 году.Такие города, как Дублин, обязаны покупать электрические автобусы только после 2018 года.
Израиль Запретить ввоз всех автомобилей с бензиновым и дизельным топливом к 2030 году. Разрешен только природный газ и электромобили. Министр энергетики Юваль Стейниц заявил на конференции в феврале прошлого года, что «с 2030 года Государство Израиль будет создавать альтернативы и больше не будет разрешать импорт автомобилей, работающих на бензине и дизельном топливе. … Мы намерены достичь ситуации, при которой промышленность Израиля будет основана на природном газе, и, что наиболее важно, транспортировка в Израиле будет основываться на природном газе или электричестве.”
Брюссель, Бельгия Запрет дизельного топлива в бельгийской столице к 2030 году Правительство Брюсселя согласилось ввести запрет на дизельное топливо в столице Бельгии к 2030 году. Ограничения на бензиновые автомобили рассматриваются.
Нидерланды Все автомобили без выбросов к 2030 году В октябре 2017 года в соглашении с голландской парламентской коалицией было заявлено, что «цель состоит в том, чтобы к 2030 году все новые автомобили не имели выбросов. автомобили будут приведены в соответствие с этими амбициями.(Стр. 39, документ на голландском языке)
Франция К 2030 году не будут продаваться новые бензиновые или дизельные автомобили Климатический план правительства Франции на 2017 год обещает «вывести с рынка автомобили с выбросами парниковых газов к 2040 году: остановка продажи бензиновых или дизельных автомобилей будут стимулировать производителей автомобилей к инновациям и лидерству на этом рынке ».
Соединенное Королевство К 2040 году не будет продажи обычных бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов. Снизить до нуля национальные выбросы транспортных средств к 2050 году. Правительство Великобритании обязалось прекратить продажи новых обычных бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов к 2040 году. Вместо полного запрета бензиновых и дизельных транспортных средств оно заявляет (платный доступ), что «большинство» новых автомобилей и фургонов, проданных к 2040 году, должно быть нулевым. выбросы, и все они должны иметь «способность» к нулевым выбросам (например, гибриды). К 2050 году Великобритания заявляет, что сократит выбросы от транспортных средств практически до нуля к 2050 году, а к 2050 году «почти все автомобили и фургоны» будут без выбросов. Парламент Шотландии объявил о более амбициозных планах по поэтапному отказу от бензиновых и дизельных автомобилей к 2032 году.
Тайвань Никаких новых неэлектрических мотоциклов к 2035 году и четырехколесных транспортных средств к 2040 году Согласно плану Управления по охране окружающей среды страны, к 2035 и 2040 годам будут запрещены все продажи неэлектрических мотоциклов и четырехколесных транспортных средств соответственно.
Китай Дата прекращения использования двигателей внутреннего сгорания не указана Китай разрабатывает долгосрочный план по поэтапному отказу от двигателей внутреннего сгорания, сообщил Синь Гобинь, правительственный чиновник из Министерства промышленности и информационных технологий.«Некоторые страны установили график, когда следует прекратить производство и продажу традиционных топливных автомобилей», — сказал он китайским государственным СМИ в сентябре прошлого года, отметив, что министерство начало «соответствующее исследование», чтобы завершить график. «Эти меры, безусловно, внесут глубокие изменения в развитие нашей автомобильной промышленности». Эксперты ожидают (платный доступ), что страна введет запрет на поэтапный отказ от выбросов парниковых газов, как ожидается, около 2030 года.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *