Кпд газового двигателя: Газовый двигатель – Основные средства

Газовый двигатель – Основные средства

О достоинствах газомоторного топлива, в частности метана, сказано немало, но напомним о них еще раз.

Это экологичный выхлоп, удовлетворяющий текущие и даже будущие законодательные требования к токсичности. В рамках культа глобального потепления это важное преимущество, поскольку нормы Euro 5, Euro 6 и все последующие будут насаждаться в обязательном порядке и проблему с выхлопом так или иначе придется решать. К 2020 г. в Евросоюзе новым транспортным средствам будет разрешено производить в среднем не более 95 г СО2 на километр. К 2025 г. этот допустимый предел могут еще опустить. Двигатели на метане способны удовлетворить эти нормы токсичности, и не только благодаря меньшему выбросу СО2. Показатели выбросов твердых частиц в газовых двигателях также ниже, чем у бензиновых или дизельных аналогов.

Далее, газомоторное топливо не смывает масло со стенок цилиндра, что замедляет их износ. Как утверждают пропагандисты газомоторного топлива, ресурс двигателя волшебным образом вырастает в разы. При этом они скромно умалчивают о теплонапряженности работающего на газе двигателя.

И главное преимущество газомоторного топлива – это цена. Цена и только цена покрывает все недостатки газа как моторного топлива. Если мы говорим о метане, то это неразвитая сеть АГНКС, которая буквально привязывает газовый автомобиль к заправке. Количество заправок сжиженным природным газом ничтожно, этот вид газомоторного топлива сегодня представляет собой нишевой, узкоспециальный продукт. Далее, газобаллонное оборудование занимает часть полезной грузоподъемности и полезного пространства, ГБО хлопотно и накладно в обслуживании.

Технический прогресс породил такой вид двигателя, как газодизель, живущий в двух мирах: дизельном и газовом. Но как универсальное средство газодизель не реализует в полном объеме возможности ни того, ни другого мира. Нельзя оптимизировать ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов для двух видов топлива на одном двигателе. Для оптимизации газовоздушного цикла нужно специализированное средство – газовый двигатель.

Сегодня все газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. Альтернативные варианты – в стадии разработки. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путем инжекции газа. Чем ближе к цилиндру происходит этот процесс, тем быстрее реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться прямо в камеру сгорания, о чем речь пойдет ниже. Сложность управления не единственный недостаток внешнего смесеобразования.

Инжекция газа управляется электронным блоком, который также регулирует угол опережения зажигания. Метан горит медленнее дизельного топлива, то есть газовоздушная смесь должна воспламеняться раньше, угол опережения также регулируется в зависимости от нагрузки. Кроме того, метану нужна меньшая степень сжатия, нежели дизельному топливу. Так, в атмосферном двигателе степень сжатия снижают до 12–14. Для атмо­сферных двигателей характерен стехиометрический состав газовоздушной смеси, то есть коэффициент избытка воздуха a равен 1, что в какой-то степени компенсирует потерю мощности от снижения степени сжатия. КПД атмосферного газового двигателя на уровне 35%, тогда как у атмосферного же дизеля КПД на уровне 40%.

Автопроизводители рекомендуют использовать в газовых двигателях специальные моторные масла, отличающиеся водостойкостью, пониженной сульфатной зольностью и одновременно высоким значением щелочного числа, но не возбраняются и всесезонные масла для дизельных двигателей классов SAE 15W-40 и 10W-40, которые на практике применяются в девяти случаях из десяти.

Турбокомпрессор позволяет снизить степень сжатия до 10–12 в зависимости от размерности двигателя и давления во впускном тракте, а коэффициент избытка воздуха увеличить до 1,4–1,5. При этом КПД достигает 37%, но одновременно значительно возрастает теплонапряженность двигателя. Для сравнения: КПД турбированного дизельного двигателя достигает 50%.

Повышенная теплонапряженность газового двигателя связана с невозможностью продувки камеры сгорания при перекрытии клапанов, когда в конце такта выпуска одновременно открыты выпускные и впускные клапаны. Поток свежего воздуха, особенно в наддувном двигателе, мог бы охлаждать поверхности камеры сгорания, снижая таким образом теплонапряженность двигателя, а также снижая нагрев свежего заряда, это увеличило бы коэффициент наполнения, но для газового двигателя перекрытие клапанов недопустимо. Из-за внешнего образования газовоздушной смеси воздух всегда подается в цилиндр вместе с метаном, и выпускные клапаны в это время должны быть закрыты во избежание попадания метана в выпускной тракт и взрыва.

Уменьшенная степень сжатия, повышенная теплонапряженность и особенности газовоздушного цикла требуют соответствующих изменений, в частности, в системе охлаждения, в конструкции распредвала и деталей ЦПГ, а также в применяемых для них материалах для сохранения работоспособности и ресурса. Таким образом, стоимость газового двигателя не так уж отличается от стоимости дизельного аналога, а то и выше. Плюс к этому стоимость газобаллонного оборудования.

Флагман отечественного автомобилестроения ПАО «КАМАЗ» серийно выпускает газовые 8-цилиндровые V-образные двигатели серий КамАЗ-820.60 и КамАЗ-820.70 размерностью 120х130 и рабочим объ­емом 11,762 л. Для газовых двигателей используют ЦПГ, обеспечивающую степень сжатия 12 (у дизельного КамАЗ-740 степень сжатия 17). В цилиндре газовоздушная смесь воспламеняется искровой свечой зажигания, установленной вместо форсунки.

Для большегрузных автомобилей с газовыми двигателями используют специальные свечи зажигания. Так, Federal-Mogul поставляет на рынок свечи с иридиевым центральным электродом и боковым электродом, выполненным из иридия или платины. Конструкция, материалы и характеристики электродов и самих свечей учитывают температурный режим работы большегрузного автомобиля, характерный широким диапазоном нагрузок, и сравнительно высокую степень сжатия.

Двигатели КамАЗ-820 оборудуют системой распределенного впрыска метана во впускной трубопровод через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством. Газ инжектируется во впускной тракт каждого цилиндра индивидуально, что позволяет корректировать состав газовоздушной смеси для каждого цилиндра с целью получения минимальных выбросов вредных веществ. Расход газа регулируется микропроцессорной системой в зависимости от давления перед инжектором, подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой с приводом от электронной педали акселератора. Микропроцесорная система управляет углом опережения зажигания, обеспечивает защиту от воспламенения метана во впускном трубопроводе при сбое в системе зажигания или неисправности клапанов, а также защиту двигателя от аварийных режимов, поддерживает заданную скорость автомобиля, обеспечивает ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля и самодиагностику при включении системы.

«КАМАЗ» в значительной степени унифицировал детали газовых и дизельных двигателей, но далеко не все, и многие внешне схожие детали для дизеля – коленвал, распредвал, поршни с шатунами и кольцами, головки блока цилиндров, турбокомпрессор, водяной насос, масляный насос, впускной трубопровод, поддон картера, картер маховика – не подходят для газового двигателя.

В апреле 2015 г. «КАМАЗ» запустил корпус газовых автомобилей мощностью 8 тыс. единиц техники в год. Производство размещено в бывшем газодизельном корпусе автозавода. Технология сборки следующая: шасси собирают и устанавливают на него газовый двигатель на главном сборочном конвейере автомобильного завода. Потом шасси буксируют в корпус газовых автомобилей для монтажа газобаллонного оборудования и проведения всего цикла испытаний, а также для обкатки автотехники и шасси. При этом газовые двигатели КАМАЗ (в том числе модернизированные с компонентной базой «БОШ»), собираемые на моторном производстве, также проходят испытания и обкатку в полном объеме.

«Автодизель» (Ярославский моторный завод) в содружестве с компанией Westport разработал и выпускает линейку газовых двигателей на базе семейства 4- и 6-цилиндровых рядных двигателей ЯМЗ-530. Шестицилиндровый вариант может устанавливаться на автомобили нового поколения «Урал NEXT».

Как уже говорилось выше, идеальный вариант газового двигателя – это непосредственный впрыск газа в камеру сгорания, но до сих пор мощнейшее глобальное машиностроение не создало такой технологии. В Германии исследования ведет консорциум Direct4Gas, возглавляемый компанией Robert Bosch GmbH в партнерстве с Daimler AG и Штутгартским научно-исследовательским институтом автомобильной техники и двигателей (FKFS). Министерство экономики и энергетики Германии поддержало проект суммой в 3,8 млн евро, что на самом деле не так уж много. Проект будет работать с 2015-го до января 2017 г. На-гора должны выдать промышленный образец системы непосредственного впрыска метана и, что не менее важно, технологию ее производства.

По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, то есть ликвидировать слабое место газового двигателя. Непосредственный впрыск решает целый комплекс «детских» болезней газового двигателя, принесенных вместе с внешним смесеобразованием.

В проекте Direct4Gas разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть надежной и герметичной и дозировать точное количество газа для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, чтобы промышленность могла использовать прежние компоненты. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. Долгосрочная цель консорциума – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок.

 

Итак, газовые двигатели – это молодое направление, еще не достигшее технологической зрелости. Зрелость наступит, когда Bosch со товарищи создадут технологию непосредственно впрыска метана в камеру сгорания.

Повышение КПД газовых двигателей

Феликс Кайфер, технический специалист по маслам и технологическим жидкостям компании Caterpillar Energy Solutions GmbH, рассказывает представителям компании Infineum о задачах, стоящих в настоящее время перед промышленностью, и последних разработках в сегменте газовых двигателей.

С каждым годом в мире растёт спрос на устойчивые и надёжные источники недорогой энергии. Всё больше предпочтений отдается природному газу. В результате неизбежно увеличивается количество стационарных двигателей, используемых или в транспортировке газа от скважины до потребителя, или для выработки электроэнергии. Чтобы удовлетворить потребности этого меняющегося и сложного рынка, нужно чётко знать требования производителей оборудования.

Применение газообразного топлива неуклонно растёт, и одна из важнейших проблем, которая, по мнению Феликса Кайфера, требует решения, – разница в качестве используемого газа. Он поясняет:

«На рынке всё больше предлагают пропан, очищенный биогаз и водород, а, значит, увеличивается проблема качества газа. Нужно, чтобы конструкция газового двигателя могла быстро справляться с меняющимся метановым числом. Более того, так как для максимального КПД устанавливается высокая степень сжатия смеси, необходима и надёжная защита от детонации (преждевременного воспламенения)».

В данной отрасли нужно учитывать не только разницу в качестве газа, но также работать с самыми разными типами газа. Например, в Европе неуклонно растёт количество двигателей, в которых используется биогаз и свалочный газ.

Феликс Кайфер говорит о необходимости чётко классифицировать неочищенные высокосернистые газы.

«Мы работаем с тремя уровнями качества газа: высокое, среднее и низкое. Чтобы защитить двигатель и всю установку от повреждения, мы определили для газа низкого качества максимальные допуски по содержанию таких веществ, как сера, сероводород, хлор и аммиак. Если содержание этих контролируемых веществ меньше 20% от максимального предела, то считается, что это газ среднего качества – обычно такой газ может поступать с завода по производству биогаза, оборудованного фильтрами на основе активированного угля. В настоящее время, как для газа среднего качества, так и высококачественного газа нами установлен один и тот же уровень технического обслуживания и ресурса двигателя».

Потребность в экономии затрат

«У газовых двигателей высокое давление в цилиндре и большая удельная мощность.В этой связи для того, чтобы избежать изнашивания в результате полужидкостного трения, смазочный зазор должен быть минимален. Даже при очевидной кратковременной выгоде от экономии топлива применение масел класса SAE 30 или же SAE 20 может негативно повлиять на ресурс узлов двигателя. Так как мы не смогли продемонстрировать существенное снижение расхода топлива при использовании маловязких масел, то в нашей текущей научно-исследовательской деятельности не уделяется значительного внимания таким маслам. По моему мнению, намного интереснее разработка новых модификаторов трения».

В данном случае технологи компании Texaco полностью разделяют мнение Феликса Кайфера (технический специалист по маслам и технологическим жидкостям компании Caterpillar Energy Solutions GmbH) насчет необходимости работы над формулировкой масел, а не повторения стандартных формулировок, которыми заполнен рынок. Новая линейка масел для стационарных газовых двигателей HDAX имеет ряд отличительных особенностей, в частности модификатор трения, о котором упоминает Феликс Кайфер.

Пакет присадок собственной разработки в сочетании с кристально-чистыми базовыми маслами II группы, также собственного производства, обеспечивает полную совместимость компонентов масла и содержит ряд элементов (в т.ч. молибден на уровне 300 мг/кг), необходимых для решения проблем прогара и полного закрытия клапанов в газовых двигателях. В двигателях, работающих на газе, топливо подается в камеру сгорания в газообразном состоянии, что отражается на состоянии впускных (прежде всего) и выпускных клапанов, так как газ не может обеспечить смазку пары клапан/седло, как это делает жидкое топливо. При этом смазкой между тарелкой клапана и седлом служит только зола, образуемая маслом, ввиду естественного расхода масла на угар. Слишком малое количество золы или не тот тип золымогут усилить износ клапана и седла. В то же время, слишком большое количество золы приводит к ее накоплению на поверхности клапанов и поршней, что может вызвать перегрев последних и их разрушение ввиду нарушения теплоотдачи.

Стандартный диалкилдитиофосфат цинка, который используется во многих продуктах представленных сейчас на рынке, в ходе полевых испытаний оказался гораздо менее эффективен для защиты клапанов.

Желание сократить эксплуатационные расходы – еще один серьезный стимул для внедрения новых высокоэкономичных двигателей. Однако у таких двигателей высокий КПД, что существенно усложняет их конструкцию и повышает затраты на их установку. Как поясняет Феликс Кайфер, важно предоставить для каждого рынка правильный двигатель. «Для того чтобы выполнить требования каждого из наших целевых рынков, мы должны найти оптимальное соотношение между эксплуатационными характеристиками, затратами на установку, эксплуатационной пригодностью и надёжностью».

Двигатели с высоким КПД

Так как приоритетное значение придаётся токсичности отработавших газов и сокращению затрат, производители оборудования усиленно работают над внедрением инновационных систем. Как упоминалось выше, двигатели с высоким кпд сильно отличаются от традиционных двигателей и имеют совершенно другие требования к смазочным материалам, что ставит перед производителями новые цели.

«Касаемо конструкции двигателей, есть цель обеспечить аналогичный или даже более длительный ресурс двигателя. Это означает увеличенные интервалы обслуживания и меньший простой, но при этом всё время надо учитывать нагрузку на двигатель, который подвергается большему износу».

Смазочный материал должен выдерживать достаточно длительные интервалы замены, даже несмотря на то, что нагрузка будет больше, а расход масла или его доливка меньше. Когда мы рассматриваем необходимость того, чтобы масло предотвращало отложения в канавках поршневых колец и эффективно защищало двигатели от загрязнения, важно учитывать сокращение объёма картера поршня».

Важные темы для газовых двигателей

Одна из актуальных тем, обсуждаемых в настоящее время, – использование газовых двигателей для сбалансированного электроснабжения при пиковых нагрузках. Феликс Кайфер говорит, что газовые двигатели лучше приспособлены для работы в разных режимах нагрузки, чем газовые турбины или большие электростанции (атомные и угольные):

«Считается, что при таком режиме работы двигатель намного чаще останавливается и запускается. Это необходимо учитывать при разработке новых моторных масел для газовых двигателей. Более того, для двигателей, в которых нет предварительного подогрева масла, предпочтительны всесезонные масла, а с ужесточением законодательства по ограничению токсичности отработавших газов кажется неизбежным и внедрение каталитических нейтрализаторов. Я думаю объем производства смазочных материалов, сульфатная зольность которых превышает 0,6% от массы, будет снижаться».

Ещё одна серьезная тема для обсуждения – проскок метана. По сравнению с дизельными двигателями современные газовые двигатели имеют относительно малое содержание NOx и CO2 в отработавших газах. Однако некоторое внимание привлекают выбросы несожжённого метана, также называемые «проскок метана» – не только из-за его стоимости, но и из-за того, что метан – парниковый газ.

Феликс Кайфер подтверждает:

«Мы задействованы в нескольких научно-исследовательских проектах по этой теме. До сих пор, чтобы максимально предупредить проскок метана, мы уделяли большое внимание технологиям сгорания топлива, и исследовательские проекты показали, что наши двигатели дают хорошие результаты. Будут оцениваться новые технологии доочистки отработавших газов на предмет скорости преобразования, затрат и, несомненно, надёжности».

Современные и будущие проблемы применения смазочных материалов

По словам Феликса Кайфера, в будущем больше двигателей будут устанавливаться в местах со сложными условиями окружающей среды, например, с высокой влажностью, высокими температурами и загрязнением.

«Это повышает сложность таких продуктов, что увеличивает роль квалифицированного персонала и сервисных центров. Способность работать с различным качеством газа, внесение изменений в организацию энергоснабжения и создание более высокой удельной мощности двигателя – вот основные задачи на предстоящие годы».

Феликс Кайфер твёрдо уверен в том, что защита двигателя всё больше зависит от использования высокоэффективного смазочного материала, и такой усиленной защитой нельзя жертвовать ради продления интервалов замены масла.

На сегодняшний день инженеры и технологи сходятся в одном – законы физики и химии работают, как и прежде, но с учетом тенденции повышения КПД и, как следствие, возросших нагрузок (не говоря уже об иных факторах, например, колебаниях в качестве или составе топливного газа), результат, который показывают масла, может сильно отличаться.

В случае если воздушно-топливная смесь обогащается, например, в целях повышения выходной мощности, увеличивается и степень нитрования масла. Texaco HDAX 5200 создано на II группе API базовых масел по технологии синтеза ISOSYN, что означает отсутствие ароматических соединений, асфальто-смолистых веществ и нафтеновых кислот, в отличие от масел на I группе API получаемых, как правило, путем сольвентной очистки (очистки растворителями). Стабильность к окислению и нитрованию сильно разнится. Это не говорит о том, что масла HDAX не окисляются вообще – это означает, что они выдерживают окислительную нагрузку значительно дольше.

Или другой пример: высокое содержание ароматических углеводородов в базовых маслах I группы – причина разрушений молекул дисперсантов. Дисперсанты предотвращают образование крупных частиц отложений, которыевызывают рост вязкости, блокируют фильтр (многие инженеры-механики не понаслышке сталкивались с аварийной остановкой установки по причине перепада давления в масляном фильтре) и закупоривают масляные магистрали, откладываются на поверхностях узлов и деталей и препятствуют отводу тепла (нарушается тепловой баланс установки).

Здесь нет никаких чудес, вопрос только в химии и физике явлений – ароматические молекулы снижают эффективность действия дисперсантов и не препятствуют агломерации (укрупнению) частиц отложений, т.к. ароматические соединения не обладают стерическим эффектом (эффекта отталкивания). В результате скопление частиц (агломерация) отложений приводит к увеличению вязкости и абразивному износу.

В тесном сотрудничестве с инженерами многих производителей стационарных двигателей, бренд Texaco создал принципиально новую линейку масел HDAXна основе II группы базовых масел, которая лишена недостатков, описанных выше, а также имеет более низкую склонность к угару ввиду однородности молекулярнного состава. Продукты HDAX не содержат ни легколетучей ароматики, ни легколетучих углеводородов парафинового (а также и обратной стороны – тяжелых углеводородов нафтенового ряда). Как следствие, показатель испаряемости продуктов HDAX ниже чем у продуктов конкурентов, что отражается положительным образом на показателе рентабельности при эксплуатации газопоршневых установок.

Какой мотор выбрать — бензиновый, дизельный или на газе? — журнал За рулем

При выборе двигателя всплывает масса вопросов: бензиновый, дизельный или работающий на газе? Атмосферный или с турбонаддувом? У каждого варианта свои плюсы и минусы.

Прочность якорной цепи равна прочности ее самого слабого звена.

Поговорка старых английских шкиперов

Бензиновый двигатель

Его правильнее называть двигателем с искровым зажиганием. Почему? Хотя бы потому, что производители топлива в некоторых странах добавляют в бензин до 20–24% этилового спирта. Таким образом, двигатель можно назвать бензоспиртовым.

Примерно до середины прошлого века в системе питания таких моторов властвовал карбюратор, а мощность, в основном, зависела от рабочего объема. В настоящее время карбюраторы вымерли, а современников я бы условно разделил на несколько групп:

• безнаддувные двигатели со впрыском во впускной трубопровод (их еще называют атмосферными моторами)
• двигатели с непосредственным впрыском
• наддувные двигатели
• двигатели с непосредственным впрыском и турбонаддувом.

Приблизительно в таком же порядке у этих двигателей растут и показатели технических характеристик, но одновременно уменьшается надежность.

Атмосферный мотор Renault

Старый добрый атмосферник фирмы Renault. Один из самых надежных и беспроблемных двигателей на нашем рынке. Сердце многих Логанов, Сандеро, Ларгусов и Дастеров.

Старый добрый атмосферник фирмы Renault. Один из самых надежных и беспроблемных двигателей на нашем рынке. Сердце многих Логанов, Сандеро, Ларгусов и Дастеров.

Безнаддувные двигатели с распределенным впрыском топлива во впускной трубопровод просты по конструкции. Они имеют надежную систему управления. Модификации с регулированием фаз на впуске и выпуске обеспечивают неплохие показатели по литровой мощности (это отношение мощности мотора к его рабочему объему в литрах). Современные двигатели рабочим объемом 1,6 л выдают мощность порядка 125–130 л.с. Улучшить удельные показатели (ту же мощность, снимаемую с единицы рабочего объема) можно только повышением частоты вращения коленчатого вала до 7–8 тыс. об/мин, но это требует создания уже совсем другого, «околоспортивного» двигателя, а также усовершенствованной трансмиссии. Например, еще в начале 1990-х Honda разработала двигатель объемом 1,6 л, который выдавал 160 л.с. Но с современными экологическими нормами о нем лучше даже не вспоминать.

GDI — Gasoline Direct Injection

GDI — Gasoline Direct Injection — впрыск бензина непосредственно в камеру сгорания. Одним из пионеров внедрения системы была фирма Mitsubishi, ну а фирма Kia (их двигатель на фото) творчески развила исследования.

GDI — Gasoline Direct Injection — впрыск бензина непосредственно в камеру сгорания. Одним из пионеров внедрения системы была фирма Mitsubishi, ну а фирма Kia (их двигатель на фото) творчески развила исследования.

Непосредственный впрыск немного улучшает показатели двигателя по мощности и экологичности. Но он ощутимо сложнее, так как требует применения топливного насоса высокого давления (ТНВД) и особых форсунок. А еще распространение таких двигателей сдерживается потребностью в топливе высокого качества. Недаром многие фирмы долгое время не поставляли такие моторы в нашу страну. У нас и без того подъезжаешь к бензоколонке как к столу с рулеткой, а тут еще и двигатель более требовательный.

двигатель с системой электронноуправляемого турбонаддува Lexus

Такой двигатель с системой электронно-управляемого турбонаддува устанавливают на автомобили Lexus.

Такой двигатель с системой электронно-управляемого турбонаддува устанавливают на автомобили Lexus.

Наддув позволяет значительно повысить показатели или уменьшить рабочий объем, сохранив ту же мощность. Полуторалитровый двигатель развивает от 150 л.с. и больше. Максимальный крутящий момент наддувника, в отличие от момента атмосферника, достигается значительно раньше, уже при частоте вращения коленчатого вала 1600–1800 об/мин., причем «полка» высокого крутящего момента может простираться до 4000–4500 об/мин. Все благодаря оптимальному снабжению воздухом поршневой части двигателя с помощью электронно-управляемого турбокомпрессора. В результате наддувный двигатель при небольших и средних нагрузках чуть экономичнее в сравнении с безнаддувным собратом при прочих равных. Такой двигатель прекрасно тянет с самых низов, а на малых оборотах потери энергии на трение меньше из-за меньших путей проходимых всеми деталями двигателя и, соответственно, выше КПД.

Материалы по теме

Однако статистика говорит о том, что наддувных моторов продается все-таки значительно меньше, чем атмосферных. Почему?

Первая причина — такие двигатели сложнее и несколько дороже в производстве. Да и налоговых льгот при малом рабочем объеме мотора у нас в стране нет, в отличие, к примеру, от той же Европы.

Вторая причина — ограниченный ресурс турбокомпрессора, обычно не превышающий 150 000 км пробега. Более нагружена у наддувных двигателей и поршневая часть, а где нагрузки, там и повышенный износ.

Третья причина — турбонаддув подразумевает разветвленную сеть трубопроводов, датчиков, приводов и жгутов проводов, которые могут соскочить, заржаветь и потерять герметичность. А любая поломка в системе управления может вывести из строя сам двигатель или агрегат турбонаддува. Также наддувные двигатели нежелательно глушить сразу после работы на напряженных режимах. Больше всего страдает раскаленный турбокомпрессор, т.к. циркуляция масла прекращается мгновенно, а ротор продолжает вращаться с большой частотой. К слову, турботаймер, призванный компенсировать этот недостаток, получил распространение лишь в качестве опции нештатных сигнализаций. Наконец, фанаты породистого звука признают, что выхлоп от турбодвигателей звучит недостаточно привлекательно.

Двигатель с турбонаддувом

И турбонаддув, и непосредственный впрыск на самом свежем двигателе от Kia.

И турбонаддув, и непосредственный впрыск на самом свежем двигателе от Kia.

Материалы по теме

А теперь смешаем одно острое блюдо с другим. Совместим турбонаддув и непосредственный впрыск! В результате получим двигатель, который будет еще чуть мощнее, ощутимо сложнее и капризнее, да еще и чувствительнее к качеству топлива.

Может — ну его? И — виват честный атмосферник?

Дизель

Второе его название — двигатель с воспламенением от сжатия.

Будучи двигателистом по образованию, считаю, что золотой век дизелей уже миновал. Самые надежные и безотказные из них, на мой взгляд, были в 80-х годах прошлого века. Тогда на легковых автомобилях бал правили вихрекамерные дизели рабочим объемом от 1,5 до 2,5 л. Чаще — без наддува, но и снабженные турбокомпрессором тоже попадались. При этом зачастую почти всю систему питания представлял самый совершенный по тем временам дизельный топливный насос фирмы Bosch серии VE.

Системы топливного насоса высокого давления

Системы топливного насоса высокого давления: 1 — корректор по давлению наддува; 2 — электромагнитный клапан останова двигателя; 3 — корректор по температуре охлаждающей жидкости.

Системы топливного насоса высокого давления: 1 — корректор по давлению наддува; 2 — электромагнитный клапан останова двигателя; 3 — корректор по температуре охлаждающей жидкости.

У него были центробежный регулятор опережения впрыска топлива, устройство для обеспечения пусковой подачи топлива, корректор подачи в зависимости от давления наддува и термокорректор, увеличивающий количество топлива при непрогретом двигателе. Внутри был встроен топливоподкачивающий насос. И ко всей системе питания двигателя подходил только один проводок — к электромагнитному клапану. На автомобиле с таким дизелем можно было ездить без аккумулятора и генератора! Стоило вынуть запорный элемент электромагнитного клапана, как дизель становился совсем неподвластным старикам Вольту и Амперу. Пустить машину можно было с толкача, а заглушить передачей. Вот это надежность! Поэтому тогда я голосовал за такой дизель двумя руками.

Современный дизель по уровню сложности и капризности схож с наддувным бензиновым двигателем. Основная причина — система питания Common Rail, которая нагнетает огромные давления, обеспечивая при этом высокие показатели и не менее высокую цену. Прибавьте к этому мочевину и сажевые фильтры, из-за которых электроника периодически выпускает на соседей по потоку целые облака сажи. Все это делает дизель менее привлекательным с потребительской точки зрения.

дизельный двигатель

Ох, непрост современный дизель!..

Ох, непрост современный дизель!..

Резюмируя, можно сказать, что современный дизель обеспечивает отличные показатели по мощности, тяговитости, экономичности. Но часть производителей так и не решила вопрос с шумом и вибрацией, возникающими из-за гораздо более высокого давления в цилиндрах при сгорании топлива. К тому же всегда есть опасность заправиться топливом не по сезону, а это чревато проблемами с запуском двигателя в мороз. Да и надежностью дизели не блещут из-за конструктивной сложности.

Газификация

Сразу отмечу, что дополнительно установить газовое оборудование с приемлемыми затратами сил и средств можно только на двигатели с искровым зажиганием. Современный дизель перевести на газ можно только в заводских условиях. Что касается перевода на газ обычной бензиновой легковушки, то ужесточение законов, требующее сертификации подобных переделок, как-то оптимизма не прибавляет. Израсходованное время и деньги не окупятся безопасностью эксплуатации. Ведь при очень больших пробегах, а только при таких и ставят газ, «ушатать» автомобиль можно быстрее, чем дело дойдет до следующей проверки. Хотя если пройти все процедуры, то можно ездить, экономя на заправке. Правда, часть багажного отделения будет занята газовым баллоном, разгонная динамика немного снизится, а расход пусть и дешевого газа будет достаточно велик. Конечно, в среднем в два раза более низкая цена газа компенсирует этот перерасход.

Газовой оборудования для двигателя

Газовый «паук» забрался в моторный отсек к бензиновому двигателю

Газовый «паук» забрался в моторный отсек к бензиновому двигателю

Сам я около 15 лет ездил на машинах с газовым оборудованием, причем устанавливал его самостоятельно. Но то были карбюраторные автомобили, где все настройки можно было произвести без спецоборудования. Регистрацией не занимался и опрессовки баллонов не делал никогда. В те времена попросту не было механизмов такой проверки. А сейчас сертификация обязательна, без нее не заправят, без нее не дадут диагностическую карту. Недаром те годы называли лихими девяностыми… Тем не менее ездил и радовался. И это в Москве, хотя случалось и путешествовать по стране.

Итоги

Выскажу личное мнение. Первые семь лет после окончания ВУЗа занимался испытаниями и доводкой дизельных наддувных и атмосферных двигателей. Имел в личном пользовании кучу карбюраторных автомобилей отечественного производства, на многие из которых (от УАЗ-469 до Таврии) ставил газовое оборудование. Работая в издательстве, поездил на многих автомобилях отечественного и зарубежного производства. И сделал я для себя вывод, что нет ничего лучше безнаддувного бензинового двигателя с впрыском топлива и с цепным приводом ГРМ вместо ремня. Самый беспроблемный вариант! А дизельные двигатели имеет смысл ставить на достаточно тяжелые внедорожники, пикапы, развозные фургоны, малые грузовички и далее по списку, вплоть до магистральных тягачей.

какой двигатель наиболее эффективный? – Богдан-Авто Холдинг

В настоящее время существует большое количество двигателей и альтернативных приводов. Предложение различных моторных решений для автомобилей часто вызывает у клиентов вопрос: какой же двигатель работает наиболее эффективно? Эксперты издания futurezone.de пришли к выводу, что самым высоким коэффициентом полезного действия (КПД) обладает электродвигатель. Для «зеленого» привода он составляет до 99%, а это означает, что 99% вырабатываемой электрической энергии преобразовывается в кинетическую энергию движения. Сегодня мы рассмотрим, чем отличаются наиболее известные типы двигателей и сравним их преимущества и недостатки.

Электро

Интересно, что принцип работы электродвигателя был открыт еще в 1830-х годах, за несколько десятилетий до появления двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день существуют различные типы электродвигателей, которые работают на постоянном или переменном токе. В качестве топлива используется электричество, которое обеспечивает бортовая аккумуляторная батарея. Сегодня в основном применяются литий-ионные аккумуляторы благодаря хорошим характеристикам и длительному сроку службы. Несмотря на то, что многие модели электромобилей обладают пока еще низким запасом хода, а для зарядки потребуется в общей сложности несколько часов, электродвигатели обладают явными преимуществами. Во-первых, они не загрязняют окружающую среду, так как выбросы равны нулю. Во-вторых, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, электромотор имеет меньше деталей, которые подлежат износу, а это означает, что Вас ожидает меньше расходов на ремонт и обслуживание. В дополнение к этому, электромотор предлагает отличную динамику, так как максимальный крутящий момент уже доступен на низких оборотах двигателя.

Водород

С точки зрения эксплуатационных характеристик, близкими по духу чистым электромобилям являются электромобили на водородных двигателях. Данный тип привода использует топливный элемент для производства электроэнергии из газообразного водорода и кислорода. При этом из выхлопной трубы выделяется только вода. Помимо экологического аспекта, водородный двигатель имеет практические преимущества по сравнению с электромотором. Автомобили на водороде быстро заправляются и не нуждаются в длительной зарядке, а также обладают более широким запасом хода при меньшем весе по сравнению с электромобилями, оснащенными тяжелыми аккумуляторными батареями.

Гибрид

Менее эффективными, чем электродвигатели, но более экономичными по сравнению с двигателями внутреннего сгорания являются гибриды. В автомобилях с гибридным приводом применяются как двигатели внутреннего сгорания, так и электромоторы, что позволяет использовать преимущества обеих систем. В таких моделях аккумулятор для электродвигателя обычно заряжается во время движения от двигателя внутреннего сгорания или от восстановления энергии торможения. Более низкий расход топлива обеспечивается в основном при движении в городе, так как в большинстве случаев система автоматически переключается на электропривод при низких скоростях, таких как остановка и движение в пробках. Во время путешествий на дальние расстояния гибридные приводы практически не экономят топливо. При этом гибриды стоят на порядок выше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Газ

Если сравнивать линейку классических двигателей внутреннего сгорания, то Вашим фаворитом легко может стать газ. Во-первых, двигатель, работающий на природном газе, более экологически чистый, чем бензиновый или дизельный мотор. Сжигание природного газа, который в принципе состоит из метана, является относительно чистым, а это означает, что при этом не образуется сажа и значительно снижается количество других загрязняющих веществ. Во-вторых, двигатель, работающий на газе, до 10% более эффективный, чем бензиновый. Помимо этого, цена на газ существенно ниже по сравнению со стоимостью бензина или дизельного топлива. Но при всех плюсах Вы должны учитывать, что за авто на газе Вам придется заплатить дополнительные тысячи евро, и к тому же газ предлагается не на каждой АЗС.

Дизель

Выбирая дизельный двигатель, клиенты сознательно платят более высокую стоимость за автомобиль с целью сэкономить в будущем на затратах на топливо, так как главный плюс дизеля – это более низкий расход топлива. В дизельных моторах воздух всасывается в камеру цилиндра, где он смешивается с дизельным топливом путем прямого впрыска. Дизельно-воздушная смесь воспламеняется самостоятельно, поэтому дизельный двигатель не нуждается в свечах зажигания. При этом давление сжатия составляет от 30 до 50 бар, а температура на 700-900 градусов Цельсия выше, чем у бензинового двигателя. Учитывая данные значения, дизель должен иметь более устойчивую конструкцию и соответственно больше весить. Тем не менее, дизель имеет более высокую плотность энергии и КПД дизеля составляет около 33%, в результате чего снижается расход топлива.   

Бензин

Бензиновый двигатель обладает наименьшим КПД среди двигателей – 25%. Это означает, что 75% энергии, получаемой при сжигании бензина, преобразуется в тепло, и только 25% в движение.  Но сегодня многие бензиновые двигатели оснащаются системой непосредственного впрыска, а также турбонаддувом. Данные технологии позволяют увеличить производительность мотора, а также снизить вредные выбросы. Не смотря на более низкую эффективность, бензиновый двигатель обладает другими полезными характеристиками. По сравнению с дизелем, у бензина более низкие выбросы оксида азота. Помимо этого, бензиновый двигатель дает широкий диапазон оборотов, что идеально подходит для спортивного вождения. Именно по этой причине мотоциклы ездят исключительно на бензине. В дополнение, автомобили с бензиновым двигателем являются самыми доступными по стоимости на рынке.

Виды двигателей, которыми оборудованы автомобили дилерской сети «Богдан-Авто Холдинг»

Модель авто	Тип двигателя	Расход топлива в смешанном цикле (л / 100 км)
Subaru
Subaru XV	Бензин	7
Subaru Outback	Бензин	7,3
Subaru Forester	Бензин	7,2
Hyundai
Hyundai i30	Бензин/ Дизель	6 / 5,3
Hyundai i10	Бензин	4
Elantra	Бензин	6,6
Creta	Бензин	7
Santa Fe New	Бензин/ Дизель	7,1 / 5,2
Tucson	Бензин/ Дизель	7,9/ 5,3
Accent	Бензин	5,7
Grand Santa Fe	Турбодизель	7,8
Ioniq Electric	Электро	0
Ioniq Hybrid	Гибрид	3,4
Grandeur	Бензин	9,1
Great Wall
Wingle 5	Дизель	7,4
Wingle 6	Бензин/ Дизель	11,2 / 8,6
HAVAL
HAVAL h3	Бензин	6,7
HAVAL H6	Бензин	8,5
HAVAL H9	Бензин/ Дизель	10,9 / 9,1
JAC
JAC S2	Бензин	6,5
JAC S3	Бензин	5,6
JAC iEV 7S	Электро	0

Подготовлено по материалам Futurezone.de]]>

Испытания подтвердили повышение КПД оборудования при использовании масел SENTRON

Продолжительные полевые испытания демонстрируют, что масла SENTRON значительно повышают КПД двигателей, работающих на природном газе. Масла линейки SENTRON имеют увеличенный срок службы и обеспечивают отличный контроль отложений и износа в большинстве случаев применения. Показатели для различных типов масел можно увидеть на инфографике ниже:

Скачать информационный бюллетень

Масла SENTRON различных классов для двигателей на природном газе отвечают конкретным условиям эксплуатации двигателя и предприятия в целом.

С низким содержанием золы

SENTRON LD 8000 – революционный смазочный материал класса SAE 40 с низким содержанием золы, созданный на основе базового масла чистотой 99,9 %. Это масло отличается исключительной эффективностью, и его интервал замены на 300 % больше, чем у минерального масла ведущего мирового конкурента. Оно содержит специальную смесь присадок, которая позволяет лучше сохранять общее щелочное число (ОЩЧ) и нейтрализовать кислоты, которые могут повредить поверхность гильз. SENTRON LD 8000 предотвращает образование отложений при оптимальном содержании золы и снижает износ металлических деталей двигателя, что повышает надежность оборудования и уменьшает простои, связанные с техническим обслуживанием.

SENTRON LD 5000 имеет великолепные эксплуатационные характеристики, а его интервал замены на 200 % больше, чем у минеральных масел. Кроме того, он обеспечивает исключительную общую защиту двигателя, повышая его надежность и снижая эксплуатационные расходы.

SENTRON LD Synthetic Blend – всесезонное дополнение к линейке Sentron LD 5000, которое имеет полусинтетический состав и обеспечивает увеличение интервала между заменами масла в широком диапазоне температур. Базовое масло и присадки, используемые в этом продукте, доказали свою эффективность, выдержав более 28 миллионов часов работы в полевых условиях.

SENTRON LD 3000 повышает производительность двигателей с турбонаддувом высокой мощности, для которых рекомендуется использовать малозольное масло. Это масло обеспечивает превосходный контроль отложений в двигателе даже в случаях, требующих дополнительного контроля образования отложений при высоких температурах.

SENTRON VTP 10W-40 – масло, специально разработанное для стационарных двигателей на природном газе (включая переведенные на природный газ) и обеспечивающее исключительную чистоту поршней на протяжении всего года.

SENTRON VTP 0W-30 – всесезонное масло, специально разработанное для малых и средних двигателей, которые работают в суровых зимних условиях.

SENTRON CG 40 PLUS – уникальное масло с низким содержанием золы, созданное специально для 4-тактных газовых двигателей, используемых в тяжелых условиях работы со свалочным биогазом.

Беззольные

SENTRON ASHLESS 40 (зола 0,05 % массы) рекомендуется в первую очередь для 2-тактных газовых двигателей, но может использоваться и в некоторых 4-тактных газовых двигателях. SENTRON ASHLESS 40 сводит к минимуму образование отложений в камерах сгорания и на свечах зажигания.

Со средним содержанием золы

SENTRON CG 40– масло, специально разработанное для 4-тактных двигателей, работающих в условиях сильно загрязненного топлива (включая комбинированное производство энергии).

SENTRON Mid-Ash 40 рекомендуется для высокопроизводительных 4-тактных газовых двигателей и обеспечивает отличную защиту от углубления седел клапанов благодаря зольности.

SENTRON VTP 10W-40 PLUS – высококачественное среднезольное всесезонное масло для двигателей на природном газе, специально разработанное для стационарных газовых двигателей с клапанным механизмом, для которого требуются масла с противоизносными свойствами (например, для бензиновых двигателей, переделанных под природный газ), и/или для двигателей, которым из-за частого пуска и останова требуются масла с высокой эффективностью при низких температурах.

Энергетическое образование

1. Циклы газовых двигателей

Прямое преобразование тепловой энергии в работу запрещается постулатом Томсона. Поэтому для этой цели используются термодинамические циклы. Термодинамические циклы это круговые процессы в термодинамике, то есть такие процессы, в которых совпадают начальные и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура и энтропия). Термодинамические циклы являются моделями процессов, происходящих в реальных тепловых двигателях.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Прямой термодинамический цикл.

Для того, чтобы управлять состоянием рабочего тела, в тепловую машину входят нагреватель и холодильник. В каждом цикле рабочее тело забирает некоторое количество теплоты $Q_1$ у нагревателя и отдаёт количество теплоты $Q_2$ холодильнику. Работа, совершённая тепловой машиной в цикле, равна, таким образом:

$$A=Q_1-Q_2-ΔU = Q_1-Q_2.$$

Изменение внутренней энергии $ΔU$ в круговом процессе равно нулю (это функция состояния), а работа не является функцией состояния, иначе суммарная работа за цикл также была бы равна нулю.

Поэтому тепловой, или, как его ещё называют, термический или термодинамический коэффициент полезного действия тепловой машины (отношение полезной работы к затраченной тепловой энергии) равен:

$$η=\frac{A}{Q_1} =\frac{Q_1-Q_2}{Q_1} =\frac{M·q_1-M·q_2}{M·q_1}=\frac{q_1-q_2}{q_1} =1-\frac{q_2}{q_1}.$$

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно в 1824 году впервые дал теоретическое объяснение работы тепловых машин. Основное положение теории С. Карно, впоследствии получившее название принципа Карно, состоит в том, что для получения работы в тепловой машине необходимы, по крайней мере, два источника теплоты с разными температурами.

Карно предложил идеальный цикл тепловой машины, где используются два источника теплоты с постоянными температурами: источник с высокой температурой – горячий источник и источник с низкой температурой – холодный источник. Поскольку цикл идеальный, то он состоит из обратимых процессов теплообмена между рабочим телом и источниками теплоты, протекающим по двум изотермам, и двух идеальных адиабат перехода рабочего тела с одной изотермы на другую.

Цикл Карно.

В цикле Карно горячий источник теплоты с $T_1=const$ передает теплоту рабочему телу, это обратимый процесс, поэтому рабочее тело получает теплоту $q_1$ по изотерме AB. На процессе BC рабочее тела расширяется по обратимой адиабате от $T_1$ до $T_2$. В обратимом процессе CD рабочее тело передает теплоту $q_2$ холодному источнику по изотерме $T_2=const$. На процессе DA рабочее тело сжимается по обратимой адиабате от $Т_2$ до $Т_1$.

Для цикла Карно в $T-s$ диаграмме подведенная $q_1$ и отведенная $q_2$ теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для $q_1$ – с $T_1$ и $Δs$, для $q_2$ – с $T_2$ и $Δs$. Величины $q_1$ и $q_2$ определяются по формулам изотермического процесса:

$$q_1=T_1·Δs,$$ $$q_2=T_2·Δs.$$

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты:

$$l_ц=q_1-q_2=(T_1-T_2)·Δs.$$

В соответствии с выражением выше получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при $Т_2=0$ K, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около $300$ K. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота $q_1$ превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота $q_2$, отдается холодному источнику, и при заданных $Т_1$ и $Т_2$ она не может быть использована для получения работы, величина $q_2$ является тепловыми потерями (тепловым сбросом) цикла.

Термический КПД цикла Карно может быть записан в виде

$$η=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{T_2·Δs}{T_1·Δs}=1-\frac{T_2}{T_1}.$$

Таким образом, КПД цикла Карно будет тем больше, чем больше $T_1$ и меньше $T_2$. При $T_1=T_2$ КПД равен нулю, т.е. при наличии одного источника теплоты получение работы невозможно.

Цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри цилиндра двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Поршневые ДВС делятся на двухтактные, у которых один рабочий ход приходится на два хода поршня, и четырехтактные с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяются на двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания) и двигатели, работающие по смешанному циклу.

Идеализируя рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, получают термодинамический цикл, называемый часто циклом Отто. В этом цикле процесс сжатия рабочей смеси происходит по адиабате 1-2. Изохора 2-3 соответствует горению топлива, воспламененного от электрической искры, и подводу теплоты $q_1$. Рабочий ход, осуществляемый при адиабатном расширении продуктов сгорания, изображен линией 3-4. Отвод теплоты $q_2$. осуществляется по изохоре 4-1, соответствующей в четырехтактных двигателях выпуску газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выпуску и продувке цилиндра.

Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла при постоянном объеме $v=const$ (цикл Отто).

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляется следующим образом:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =1-\frac{c_v·(T_4-T_1)}{c_v·(T_3-T_2)}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1 — \frac{ \frac{T_4}{T_1} — 1 }{ \frac{T_3}{T_2} — 1 } · \frac{T_1}{T_2}.$$

Сравнивая адиабаты 1-2 и 3-4, можно показать, что:

$$\frac{T_4}{T_1} =\frac{T_3}{T_2}.$$

и, следовательно получим:

$$η_t=1-\frac{T_1}{T_2}.$$

Отношение всего объема цилиндра $v_1$ к объему камеры сгорания $v_2$ называется степенью сжатия $ε$:

$$ε=\frac{v_1}{v_2}.{k-1}}.$$

Из этого выражения видно, что термический КПД двигателей, работающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия $ε$, и с увеличением $ε$ $η_t$ возрастает. Понятно, что температура в конце сжатия $T_2$ не должна достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа составляет порядка $7-10$ или несколько больше, в зависимости от антидетонационных свойств применяемого топлива.

Степень сжатия в цикле ДВС может быть повышена, если сжимать не горючую смесь, а воздух, и затем получив высокое давление и температуру, обеспечить самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. В этом случае процесс горения затягивается, и двигатели такого типа характеризуются постепенным (или медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеализированный цикл такого двигателя внутреннего сгорания называется циклом Дизеля. Рабочее тело (воздух) сжимается по адиабате 1-2, а изобарный процесс 2-3 соответствует процессу горения топлива, т.{k-1}}.$$

Это выражение показывает, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия $ε$, с увеличением которой термический КПД цикла возрастает. Нижний предел для $ε$ обусловлен необходимостью получения в конце сжатия температуры воздуха, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива. Верхний предел $ε$ (до $20$) ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции двигателя и увеличению потерь на трение. Повышение степени предварительного расширения $ρ$ вызывает снижение термического КПД цикла. Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать, наряду с другими обстоятельствами, при определении оптимального режима работы двигателя.

Цикл Тринклера или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные бескомпрессорные дизели, осуществляется по следующей схеме.{k-1}}.$$

Параметр $λ$ называется степенью повышения давления и рассчитывается так:

$$λ=\frac{p_3}{p_2}.$$

В двигателях, работающих по циклу Тринклера, распыл топлива производится механическим топливным насосом высокого давления, а воздушный компрессор, применяемый в двигателе Дизеля, отсутствует. Степень сжатия $ε$ в рассматриваемом цикле может достигать $18$ и более.

Легко показать, что математическое выражение термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты является общим для циклов поршневых ДВС.

Сравнение эффективности рассмотренных циклов проведем на $T-s$ диаграмме, предположив, что в каждом из них достигается одинаковая максимальная температура $T_3$.

Одинаковы и количества отведенной теплоты $q_2$ в каждом цикле (площадь 14аb). При таких условиях теплота цикла $q_ц$, равная полезной работе цикла $l_ц$, будет наибольшей для цикла Дизеля 12”34 и наименьшей для цикла Отто 1234. Цикл Тринклера 12’3’34 занимает промежуточное положение.

Сравнение циклов ДВС на $T-s$ диаграмме 1234 – цикл Отто; 12”34 – цикл Дизеля; 12’3’34 – цикл Тринклера.

Таким образом, термический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства цикла, будет наибольшим для цикла Дизеля с подводом теплоты при постоянном давлении и наименьшим для цикла Отто с подводом теплоты при постоянном объеме.

Цикл двигателя Стирлинга представляет собой цикл газового двигателя поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга. Например двигатель стирлинга модификации «Альфа» состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Двигатель стирлинга модификации «Альфа».

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов. В процессе 3 холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе $T_2=const$ при интенсивном отводе теплоты $q_2»$. В процессе 4 поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что $v=const$ (изохорный процесс), а температура увеличивается от $T_2$ до $T_1$ при подводе теплоты $q_1’$.

В изотермическом процессе расширения 1 $T_1=const$ к рабочему телу подводится теплота $q_1»$. Затем в процессе 2 поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную ($v=const$) с отводом теплоты $q_2’$. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга.

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты $q_1»$), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты $q_2»$:

$$l_ц=q_1»-q_2».$$

Термический КПД цикла:

$$η_t=\frac{q_1»-q_2»}{q_1′-q_1»}.$$

Дизельная электростанция как правило, объединяет в себе генератор переменного тока и двигатель внутреннего сгорания, а также систему контроля и управления установкой. Такие электростанции и установки применяются в качестве основных, резервных или аварийных источников электроэнергии для потребителей одно- или трёхфазного переменного тока.

Схема дизельной электростанции.

Цикл газотурбинной установки. Одним из основных недостатков поршневых двигателей является невозможность достижения больших мощностей в одном агрегате, что сужает нишу возможного использования ДВС поршневого типа. Это связано, прежде всего с наличием кривошипно-шатунного механизма, предназначенного для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Периодичность производства рабочего хода поршня неизбежно вызывает неравномерность работы конструкции и требует наличие маховика, что заметно увеличивает удельный вес двигателя – отношение веса двигателя к вырабатываемой им мощности. Этих недостатков лишены двигатели внутреннего сгорания газотурбинного типа, к числу которых относятся воздушно-реактивные двигатели.

В газотурбинных установках подвод теплоты к рабочему телу может осуществляться при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри).

Цикл Брайтона. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при постоянном давлении содержит в себе все основные элементы, присущие турбокомпрессорному воздушно-реактивному двигателю. Газотурбинный двигатель состоит из размещенных на одном валу турбины, компрессора, топливного насоса и потребителя мощности. В схему входит также камера сгорания, выхлопное сопло или патрубок отвода отработавших газов и свеча зажигания.

Турбина приводит во вращение компрессор, в котором сжимается воздух, поступающий из окружающей среды. Процесс сжатия предполагается протекающим по адиабате 1-2. Сжатый воздух подается в камеру сгорания, куда насосом из топливной емкости прокачивается топливо. Тщательно перемешенная смесь в камере сгорания воспламеняется свечой зажигания, и при постоянном давлении реализуется процесс сжигания топлива.{\frac{k-1}{k}} },$$

где $ε=\frac{v_1}{v_2}$ – степень сжатия, а $λ=\frac{p_2}{p_1}$ – степень повышения давления.

Энергетический кризис, связанный с истощением запасов ископаемых энергоресурсов в виде органического топлива (газ, нефть, уголь и т. д.), делает необходимостью бережное отношение к его использованию. Вместе с тем, температура газа, покидающего турбину, еще достаточно велика и поэтому целесообразно частично вернуть избыточную по отношению к окружающей среде энергию уходящих газов в форме тепла в цикл. Обычно такой процесс называют регенерацией, суть которой состоит в полезном использовании вторичных энергоресурсов.

Отличие регенеративной газотурбинной установки от рассмотренной ранее состоит во введением дополнительного конструктивного узла в виде теплообменника регенератора, в котором тепло от уходящих газов передается к газу, сжатому компрессоре установки.

$T-s$ диаграмма регенеративного цикла.

По условиям организации цикла не все избыточное тепло уходящих газов может быть передано воздуху, сжатому в компрессоре. Тогда коэффициент полезного действия можно определить:

$$η_t=1-\frac{q_2}{q_1} =\frac{ (T_5-T_1)-(T_3-T_2) }{T_4-T_2}.$$

Цикл Гемфри. Газотурбинная установка со сгоранием при $v=const$ в случае, если предельные давления одинаковы и подведенные теплоты равны, будут иметь несколько большую эффективность по сравнению с изобарным циклом. Это связано с тем, что при отмеченных условиях сравнения в цикле с $v=const$ по сравнению с циклом $p=const$ отводимая теплота будет несколько меньше, чем в цикле со сгоранием при $p=const$. Это видно из сравнения циклов, построенных в $T-s$ диаграмме.

Сравнение циклов газотурбинных установок с подводом тепла при $v=const$ и $p=const$.

Однако в конструкторском отношении газотурбинная установка с подводом тепла при $v=const$ заметно сложнее. Турбина приводит во вращение сидящие с ней на одном валу компрессор, насос и потребитель выработанной установкой механической энергии, обычно в виде трехфазного электрогенератора. Одновременно в камеру сгорания поступает воздух, сжатый в компрессоре, и топливо подаваемое насосом. В камере сгорания при закрытых клапанах, свечой зажигания осуществляется воспламенение топлива. Сгорание топлива происходит при закрытых клапанах, т.е. при постоянном объеме. В конце процесса сгорания при достижении заданного давления открываются выпускные клапаны и рабочее тело – продукты сгорания в виде высокоэнтальпийного потока – поступает на лопатки соплового аппарата, а затем рабочего колеса, на которых энтальпия рабочего тела срабатывается, превращаясь в механическую энергию, воспринимаемую приводами. Отработавшие продукты сгорания – газы отводятся из двигателя через выхлопной патрубок.

Коэффициент полезного действия такого цикла определяется и соотношения:

$$η_t=1-\frac{k}{ε^{k-1}}·\frac{λ^{\frac{1}{k}}-1}{λ-1}.$$

где $λ=\frac{p_3}{p_2}$ – степень повышения давления.

Парогазовая установка – электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около $500$ °C позволяет получать перегретый пар при давлении около $100$ атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор.

Схема газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

КПД двигателя и топливная эффективность

  КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
СТАТЬЯ №1
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ,
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?

Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя.
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.
В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
* * *

   Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД . 
Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.
Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.

Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;

Суть этих значений такова:
Топливная эффективность — показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД – показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;

   Рассмотрим, кратко все эти позиции: 
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось. Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПД – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами
. Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.

    В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%. 
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
 Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти «минусы баланса» — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа. Поэтому чисто по правилам формальной логики    КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…

РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС

Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.

* * *
    Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок. 
Задача – получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.
    Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
    Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек. Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух. 
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.
    Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры. 
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.

    В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
— расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.

    Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил. 

    Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода. Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее. 
    Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру. 
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп. И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
    На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе». 
    Путь избавления от этого недостатка: 
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
    В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.

* * *
Второй уровень потерь – значительные потери тепла, полученного от сгорания «усвоенного двигателем топлива».
Тепловой баланс бензинового двигателя складывается таким образом :
1) – тепло переводимое в полезную работу: 35%;
2) – тепло теряемое с выхлопными газами : 35%;
3) – тепло теряемое от потерь через систему охлаждения: 30%;

   Задача – получить двигатель имеющий минимальные потери тепла во внешнюю среду. В идеале можно поставить задачу создать двигатель с термическим КПД в 80%. Но даже если удастся добиться этого показателя в 65-70%, вместо 35 % на сегодня, это будет огромный скачок вперед. Т.е. двигатель той же мощности при таком КПД начнет расходовать в 2 раза меньше топлива, чем прежде. 

   Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях такие большие потери тепла «на сторону»? Что приводит к такому печальному положению?

   Первая категория тепловых потерь — потери тепла с отводом через стенки цилиндров с системой охлаждения. Вообще для повышения значения термического КПД охлаждать двигатель не следует совсем. От этого температура деталей двигателя сразу поднимется- и от этого обуглится масло (которое создает пленку для легкого скольжения на поверхностях трения), и поршень перестанет легко двигаться в цилиндре и двигатель скоро заклинит. Здесь мы снова напарываемся на противоречия совмещения в одном такте двух процессов – горения и расширения. Температура во время вспышки горения в начальном периоде поджига РСм – достигает 3000 С°. А предельная температура масла, когда оно еще смазывает и спасает от трения, это 200 – 220 градусов. При превышении этого температурного порога масло начинает «гореть» и обугливаться. Для обеспечения высокого КПД двигатель охлаждать не разумно, но для обеспечения возможности движения основного рабочего органа – поршня, смазка жизненно необходима… Т.е. система охлаждения, позволяющая поршню двигаться в цилиндре — резко снижает термический КПД двигателя. Это осознанное и необходимое уменьшение КПД. 

    Вторая категория тепловых потерь – потери тепла с выхлопными газами. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров для разных типоразмеров и двигателей колеблется от 800 до 1100 С°. Поэтому в работающем на высоких оборотах двигателе выхлопные коллекторы порой начинают раскаляться до малинового свечения… Это значит только одно — энергия горения топлива, превратившаяся во внутреннюю энергию газов горения в виде их высокой температуры, теряется безвозвратно и совершенно бесполезно. Именно через этот канал «тепловых убытков» современные ДВС теряют около 35% энергии горения топлива. И превратить эту энергию в полезную работу чрезвычайно сложно, максимум, что удалось сделать – это вставить в выхлопной тракт турбину, которая крутит компрессор турбонадува. Этим достигается повышение давления воздуха, попадающего в цилиндры. И этим немного увеличивается КПД. Но – надо понимать, что турбина «улавливает» не повышенную температуру, а избыточное давление газов, покидающих цилиндр. Т.е. это немного другая тема и экономия иного рода. 
    Таким образом оказывается, что поршневой мотор плохо «перерабатывает» не только температуру, но и высокое давление рабочих газов. На самом деле – на выхлоп идут рабочие газы с избыточным давлением в 8 – 10 атмосфер. Это очень немало, стоит только вспомнить, что первые паровые машины в начале 19-го века имели рабочее давление в 3 или 3,5 атмосферы и успешно работали на угольных шахтах и в металлургических заводах, как и двигатели первые паровозы.
    Тут все дело кроется в одинаковых геометрических размерах объема сжатия и объема расширения. У поршневого двигателя они равны, и ничего тут не поделаешь. В идеале – эти объемы должны быть разными. Ухищрение типа цикла Аткинсона, когда в поршневых двигателях объем сжатия оказывается меньше, чем объем расширения, малоэффективны, так как резко снижают силу крутящего момента двигателя. 
    Но увеличение объема камеры расширения позволит лишь превращать в полезную работу весь излишек избыточного давления, а вот повышенную температуру раскаленных газов горения топлива этим методом утилизировать не удастся. Единственно, что пришло на ум инженерам, так это для превращения высокой температуры в работу — впрыскивать в цилиндры воду. По идее: вода, превращаясь в пар высокого давления, будет резко повышать давление образовавшейся паро-газовой смеси и при этом значительно понижать её температуру. Но, в поршневом двигателе за более чем 80 лет усилий в этом направлении так ничего эффективного и работоспособного создать и не получилось. Поршневая схема двигателя внутреннего сгорания оказалась очень враждебной этой идее и не позволила встроить в цикл работы двигателя паровой такт или паровую фазу. 

   Надо сказать, что по основополагающему закону термодинамики, сформулированному почти 200 лет назад С. Карно, тепловой двигатель с предельно возможным КПД должен иметь максимальную температуру рабочих газов в начале рабочего цикла, и минимальную температуру рабочих газов в конце цикла. 
Но в поршневом двигателе внутреннего сгорания максимально высокую температуру газов на первом этапе цикла мешает получить система охлаждения, а минимально избыточную температуру газов в конце цикла мешает получить невозможность встроить в схему двигателя паровую составляющую.
В итоге мы сегодня пользуемся двигателями с термическим КПД около 35%, не многим лучше, чем 60 или 70 лет назад…

   Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, позволяющую проводить процесс сгорания топлива в теплоизолированной камере сгорания (для достижения максимальной температуры в начале рабочего цикла), а так же позволяющую включать на завершающем этапе работы горячих газов горения паровую фазу (для достижения минимальной температуры в конце рабочего цикла). Так же такая конструкция двигателя позволит обходиться без обособленной и громоздкой системы охлаждения, которая бы «выкидывала» тепло во внешнюю среду.

   Заодно — двигателю не нужна будет громоздкая и тяжелая выхлопная труба, которая в традиционных поршневых моторах гасит грохот от отработавших газов, вылетающих «выстрелами» с избыточным двлением в 8-10 атмосфер. Ибо в предлагаемой конструкции избыточное давление выхлопных газов будет минимальным. 

* * *
   Третий уровень потерь – заметные потери мощности на преодоление сил трения, как и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, как и потери на привод вспомогательных механизмов. Эти потери определяются как механические потери. Они зависят от кинематической схемы двигателя. Но кроме собственно на механические потери, кинематическая схема и ее конструкция так же влияют на другой важнейший показатель работы, который не имеет прямого отношения к КПД: это режим и величина крутящего момента. 

   Задача – получить двигатель, имеющий минимальные механические потери. А так же обладающий постоянно действующим крутящим моментом высокого значения при небольших размерах самого двигателя. Высокий и стабильный крутящий момент позволяет обходиться без такой громоздкой и сложной системы транспортного средства как коробка переключения скоростей. Пример – транспорт с электродвигателями и паровыми двигателями. 

   Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: в стандартном поршневом (тронковом) двигателе реакция шатуна (поперечная составляющая этой реакции относительно оси цилиндра) на давление рабочих газов все время прижимает поршень то к одной стороне цилиндра, то к другой. Эта система работы двигателя требует постоянной смазки сильно трущихся поверхностей, и затрат на преодоление этих сил трения. Кроме того, при вращении кривошипа КШМ, проекция плеча, создающего крутящий момент, к вектору движения поршня все время меняется от «ноля» до «максимума» и обратно каждый рабочий ход. Такой все время скачкообразно пульсирующий режим крутящего момента малопригоден для привода исполнительных механизмов. И только на высоких оборотах поршневых двигателей сила крутящего момента заметно увеличивается. Но, высокие обороты (порядка 3-4 тыс. об. в мин.) не нужны большинству потребителей. Поэтому и приходится делать сложную и громоздкую коробку переключения передач, которая является неотъемлемой частью автомобилей, мотоциклов и пр. 
   Кроме того механический КПД заметно уменьшается за счёт отбора мощности двигателя на привод его вспомогательных механизмов — помпы системы охлаждения, вентилятора охлаждения, распредвалов и клапанов газораспределения, электрогенератора и пр. А еще заметные потери мощности вызывает необходимость сжатия рабочей смеси, и чем выше степень сжатия, тем эти потери выше. Кроме того, заметные потери мощности может вызывать излишне ранее зажигание, когда двигатель вынужден, в конце 2-го такта «сжатие», сжимать начинающие расширяться продукты горения. 
   Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, в котором бы давление рабочих газов не прижимало главный движущийся рабочий орган к неподвижному корпусу. При этом двигатель должен отличаться такой конструкцией, которая бы позволяла иметь постоянное плечо крутящего момента на всем пути движения главного рабочего органа двигателя. При этом на таком пути давление рабочих газов должно осуществляться как можно дольшее время, в идеале – стремиться к 100%. Напомню, что у 4-х тактных двигателей из полного цикла двигателя из 2-х оборотов вала, давление на поршень действует лишь пол оборота, да и то в режиме передачи этого давления с нестабильным плечом крутящего момента.

ИТОГ:
ИТАК- сформулируем условия, которые выдвигает научный подход, для того чтобы создать двигатель с высоким КПД:
1) Основные технологические процессы двигателя «горение» и «расширение» должны быть разделены и разнесены для реализации в разные технологические камеры. При этом сгорание должно происходить в запертой камере, в условиях нарастающей температуры и увеличивающегося давления.
2) Процесс сгорания должен происходить достаточное время и в условиях избытка воздуха. Это позволит на 100% сжигать рабочую смесь.
3) Объем камеры расширения должен быть значительно больше камеры сжатия, минимум на 50%, Это нужно для полноценного перевода давления рабочих газов в работу на главном рабочем органе.
4) Должен быть создан механизм перевода высокой температуры выхлопных газов в работу на главном рабочем органе. Для этого есть только одна реальная возможность – подача воды для превращения высокой температуры газов горения в давление получаемого пара.
5) Рабочий орган и вся кинематика двигателя должны быть устроены таким образом, чтобы как можно больший период цикла двигателя рабочий орган воспринимал давление рабочих газов, а плечо перевода силы этого давления все время было максимально возможным.

После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи совершенно невозможно. Поршневой ДВС не удовлетворяет ни одному из этих требований. Из этого факта следует следующий вывод – необходимо искать более эффективные, альтернативные поршневой схеме, конструкции двигателя. И самая близкая к необходимым требованиям оказывается схема роторного двигателя.
В своей работе над концепцией совершенного роторного двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Надеюсь, мне это удалось сделать.

Сравним содержание основных возможностей главных механизмов и технических принципов, применяемых в различных типах двигателей. Существующие моторы я буду сравнивать с концепцией совершенного роторного двигателя, над созданием которой тружусь уже некоторое количество времени.

СТАТЬЯ №2-1
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ: ВСЕ ХОРОШО В МЕРУ

  Все мы привыкли к тому, что экономичный и мощный двигатель должен иметь высокую степень сжатия. Поэтому на спортивных автомобилях двигатели всегда имеют высокую степень сжатия, а тюнинг двигателей (форсирование) для повышения мощности стандартных моторов массовых серий предполагает прежде всего увеличение их степени сжатия. 
Поэтому в широком массовом мнении закрепилась идея — чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше, так как это ведет к увеличению мощности мотора и повышению его КПД. Но — к сожалению, это положение верно лишь отчасти, а точнее, оно верно не боле чем на 50%.
История техники говорит нам, что когда в 1860-х годах появился первый ДВС Ленуара (который работал без сжатия), он лишь едва-едва превосходил по КПД паровые машины, а когда (через 15 лет) появился 4-х тактный ДВС Отто, работающий со сжатием, то КПД такой модели сразу превзошел на голову по экономичности все существовавшие тогда двигатели.
Но сжатие – не такой уж простой и однозначный процесс. Тем более, что достигать очень высоких степеней сжатия, не имеет смысла, да и это очень трудно технически.
  Первое: чем выше степень сжатия – тем больше рабочий ход поршня в цилиндре. Следовательно – больше линейная скорость движения поршня на высоких оборотах. Следовательно – тем больше инерционные знакопеременные нагрузки, действующие на все элементы кривошипно-шатунного механизма. При этом — еще и повышаются уровни давления в цилиндре. Поэтому у двигателя с высокой степенью сжатия и длинным рабочим ходом все элементы и детали мотора должны быть повышенной прочности, т.е. толстыми и тяжелыми. Именно поэтому дизеля не бывают маленькими и легкими. Поэтому не создано малых дизелей для мотоциклов, для подвесных лодочных моторов, легкой авиации и пр. Именно поэтому подвергнутые серьезному тюнингу – «пережатые» стандартные авто моторы имеют столь малый моторесурс.
  Второе: чем выше степень сжатия, тем сильнее риск детонации со всеми вытекающими разрушительными последствиями. Заправка бензином с невысоким качеством может попросту разрушить такой мотор. О детонации – читайте в специальной СТАТЬЕ. Т.е. на определенной степени сжатия приходится применять все более дорогой и специальный бензин или особые присадки к нему. В пятидесятые — шестидесятые годы магистральной линией двигателестроения, особенно в США, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
  Однако – достигать предельно возможных степеней сжатия нет никакого смысла. Дело в том, что термический КПД двигателя нарастает с повышением степени сжатия, но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Т.е. после достижения определенного порога степени сжатия ее дальнейшее повышение не имеет смысла, ибо выигрыш будет минимальным, а нарастающие трудности – огромными. 

* * *
При внимательном анализе возможностей работы разных типов двигателей и поиске путей повышения их эффективности можно найти возможности, отличные от постоянного повышения степени сжатия. И они будут гораздо более эффективными и качественными, чем высокое повышение степени сжатия.
Для начала разберемся – а что дает собственно высокая степень сжатия. А дает она следующее:
— дает высокую длину рабочего хода, т.к. в поршневом двигателя длина хода сжатия равна ходу длины расширения;
— сильное давление в заряде рабочей смеси, при котором происходит сближение молекул кислорода и топлива. От этого процесс горения подготавливается лучше и идет быстрее.

По первой позиции можно дать такие комментарии: действительно, экономичность дизелей во многом обязана тому, что они имеют большую длину рабочего хода. Т.е. увеличение длинны хода расширения значительно более серьезно влияет на повышение эффективности и экономичности двигателя, чем повышение длины хода сжатия. Это дает возможность снимать с давления рабочих газов больше пользы – газы работают на большее перемещение поршня. И если в «бензиновых» моторах диаметр поршня примерно равен длине рабочего хода, с соответствующей «степенью сжатия» и «степенью расширения», которые привязаны к длине хода поршня, то в дизельных двигателях этот параметр заметно больше. У классических низкооборотистых дизельных двигателей ход поршня больше, чем диаметр поршня на 15-30%. В судовых дизелях эта разница приобретает вообще вопиющий размер. Например, у огромного 14-цилиндрового дизельного двигателя для супертанкера производства финской фирмы Wartsila, рабочим объёмом 25 480 литров и мощностью 108 920 л.с. при 102 об/мин., диаметр цилиндра составляет 960 мм., при ходе поршня — 2500 мм.

При этом напомню- что такие судовые дизеля работают на сырой нефти, которая может выдерживать очень высокую степень сжатия при таком огромном ходе поршня. Но увеличение степени сжатия имеет и свои неприятные стороны – требует применения дорогих высокооктановых сортов бензина, увеличения веса мотора, а так же немалых затрат мощности двигателя на процесс сильного сжатия.
Попробуем разобраться – а не получится ли достичь близкого, и даже большего эффекта в наращивании мощности и увеличения КПД двигателя иными способами, т.е. без излишнего увеличения степени сжатия с нарастанием присущего подобному процессу негатива. Оказывается, что такой путь возможен. Т.е. всех обоих положительных аспектов от наращивания степени сжатия можно получить иными путями и без присущих для наращивания степени сжатия неприятностей.

Рассмотрение первой позиции – большая длинна рабочего хода. Главное для экономичности – это большая длинна рабочего хода, чтобы все рабочие газы по максимуму передали давление на поршень. А в поршневом моторе рабочий ход равен длине хода сжатия. Вот как-то и закрепилось мнение, что важнее всего – степень сжатия, а не степень расширения. Хотя в поршневом двигателе — эти значения равны. Поэтому и разделять их не имеет особого смысла.

Но в идеале – лучше сделать эти длинны хода разными. Так как повышение хода сжатия ведет к массе неприятных последствий, то его сделать умеренным. А вот ход расширения, как отвечающий по максимуму за экономичность и эффективность, сделать максимально большим. Но в поршневом моторе это сделать практически невозможно (или сделать очень трудно и сложно- пример двигатель Кушуля). Зато есть масса схем роторных двигателей, которые позволяют без особого труда разрешить эту дилемму. Т.е. возможность двигателю иметь умеренную степень сжатия и при этом значительную длину рабочего хода. 

  Рассмотрение второй позиции – активизация и высокая эффективность процесса сгорания топлива. Его высокая скорость и полнота. Это важное условие качества и экономичности работы двигателя. Но, оказывается, степень сжатия (обеспечение высокого давления) является не единственным, и даже не самым лучшим способом достижения такого результата.

Тут я позволю себе цитату из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.

   Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. если удастся обеспечить предельно высокую температуру среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет. 

   Из всех выше описанных теоретических подходов, можно сделать один вывод – мощный двигатель с высоким КПД может обойтись и без высокой степени сжатия, со всеми присущими для нее трудностями. Для этого в двигателе степень расширения должна быть заметно выше степени сжатия, а сгорание заряда свежей рабочей смеси должно происходить в предельно нагретой камере сгорания. При этом в процессе сгорания давление и температура должны повышаться за счет их естественного увеличения за счет энергии процесса горения. Т.е. камера сгорания должна герметично запираться и не менять свой объем в процессе сгорания. Следовательно: скоростного увеличения объёма камеры сгорания — с соответствующим падением давления и температуры (как это происходит в поршневом моторе) быть не должно. 
   Кстати- во время сгорания топливной смеси давление в запертой камере сгорания неизменного объема будет повышаться, т.е.сгорающие «второй серией» (более 60% от массы заряда) порции топлива будут сгорать при очень высокой степени сжатия (давление около 100 атм.) давление которого будет создано сгоранием первой части топлива. Тут надо зметить, что давление завершения такта сжатия даже у дизелей (этих нынешних рекродстменов по КПД) состалвяет не более 45-50 атм. 
Но оба этих вышеупомянутых условия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом соблюсти и обеспечить невозможно. Поэтому и работают поршневые двигатели на повышенных степенях сжатия, со всеми вытекающими трудностями, и никак не могут преодолеть планку КПД в 40% уже почти 100 лет.

   ИТОГ этой статьи таков – высокоэффективный двигатель большой мощности с высоким КПД может иметь умеренную степень сжатия, если будет иметь ход расширения, заметно больше чем ход сжатия. А сгорание рабочей смеси будет происходить в запираемой на время сгорания и не охлаждаемой камере (изохорный адиабатический процесс) при нарастающих температуре и давлении от энергии самого процесса сгорания. 
   В рамках идеи поршневого двигателя такую конструкцию создать невозможно, а вот в поле идей роторных двигателей подобные конструкции создать вполне реально. Чем и занимается автор этого текста и этого сайта. 

СТАТЬЯ №2-2
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ-2: ВЗГЛЯД В ИСТОРИЮ

26.01.13г.

   В первой части статьи я показал – что непрерывное повышение степени сжатия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом — единственный путь небольшого увеличения КПД двигателя, имеет четкие пределы своих возможностей. На степенях сжатия, приближающихся к 16, Рабочая Смесь с парами бензина даже октанового числа 100 начинает сгорать в режиме детонации, а детали и корпус двигателя становятся очень громоздкими и толстостенными (как в дизеле), чтобы выдерживать повышенные давления и великие инерционные нагрузки. Но огромные силы детонационного сгорания даже такие громоздкие и массивные детали разрушают очень быстро. 

   Но есть другие пути повышения КПД двигателя – это:
А) – увеличение температуры сгорания Рабочей Смеси (температуры в камере сгорания), чтобы добиться полного и быстрого сгорания паров бензина. При этом выделяется максимальное количество тепла и Рабочее Тело будет сильнее давить на поршень — т.е. совершать большую работу. По этому пути поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом и совмещенным процессом «горения-расширения» (3-й такт) идти не могут, так как масло (смазывающее стенки кинематической пары «поршень — цилиндр») при температуре 220 градусов уже начинает обугливаться и перестает смазывать. Именно поэтому цилиндр и поршень двигателя надо охлаждать, а это приводит в резкому снижению теплового КПД двигателя.
Б) – увеличение объема (степени) расширения Рабочего Тела (длины хода расширения) для полноценного расширения газов Рабочего Тела. Это позволит полностью использовать их избыточное давление. В современных поршневых двигателях на выхлоп идут газы с давлением в 5-8 атмосфер, что является значительными потерями. И это при том, что среднее эффективное давление поршневого двигателя составляет всего 10 атмосфер. Увеличить величину «срабатывания» этого давления мешает малая длина рабочего хода поршневого двигателя с КШМ (кривошипно-шатунным механизмом).
Если увеличить степень расширения газов Рабочего Тела в двигателе, то его КПД значительно увеличится и без необходимости повышения степени сжатия.

Давайте в этой статье обоснуем именно такую возможность.

   Итак, тема этой статьи: для повышения КПД можно и нужно увеличивать степень расширения Рабочего Тела (рабочих газов) без увеличения степени сжатия. Это должно привести к значительному повышению эффективности работы двигателя. В оптимуме надо иметь: степень сжатия может быть совсем невеликой – примерно 3-х кратной, это соответствует давлению в заряде сжатой Рабочей Смеси в 4 атмосферы, но степень расширения (длина линии рабочего хода) должна превосходить эту небольшую степень сжатия примерно в 6-8 раз. 
   Такая постановка вопроса может показаться странной и неразумной всем знатокам традиционных схем двигателей, которые привыкли к высоким степеням сжатия в поршневых моторах. Но именно о таком парадоксальном положении дел в реальности свидетельствует внимательное изучение конструкций двигателей внутреннего сгорания, которые создавались и работали на заре появления таких двигателей, т.е. в эпоху создания первых ДВС.

   Итак, первое заблуждение, которое работает на упрочнение мифа о необходимости создания высокой степени сжатия в двигателе, обосновывается тем, что первые двигатели внутреннего сгорания, которые создавались 150 лет назад, не сжимали предварительно Рабочую Смесь перед ее поджигом и поэтому имели совершенно мизерный КПД — почти такой же как и у примитивных паровых машин. 
   Действительно, первый действующий двигатель внутреннего сгорания конструкции Жана Ленуара (патент 1859 года) не имел предварительного сжатия Рабочей Смеси и работал с КПД в 4%. Всего 4 % — это как и прожорливые и громоздкие паровые машины того времени.
А вот первый образец 4-х тактного двигателя Николауса Отто, созданный в 1877 году, работал с предварительным сжатием Рабочей Смеси и при работе показал КПД в 22 процента, что для того времени было феноменальным достижением. При этом степень сжатия и степень расширения (как у всех нынешних поршневых ДВС с КШМ) у него были равны между собой.
На основании этих данных:
— КПД двигателя Ленуара без сжатия – 4%;
— КПД двигателя Отто со сжатием – 22 %;
делаются простые и ясные выводы – двигатель работающий с предварительным сжатием Рабочей Смеси работает по принципиально более эффективному режиму, и – чем больше степень сжатия – тем лучше. Этот вывод за 140 последних лет приобрел характер прописной истины и последние 100 лет двигателестроение идет по пути наращивания значения степени сжатия, которая сегодня уже достигла предельных значений.

   НО в изложении этой информации- есть одно большое НО…
Оказывается тот же Николаус Отто, прежде чем создать свой знаменитый 4-х тактный двигатель со сжатием в 1877 году, немного раньше – в 1864 году создал, выпускал и успешно продавал многими сотнями другое свое изобретение – атмосферный двигатель внутреннего сгорания, работающий без предварительного сжатия. КПД этого двигателя составлял 15%… Такой высокий КПД совершенно не укладывается в теорию, что сильное предварительное сжатие Рабочей Смеси совершенно необходимо для достижения значительных показателей КПД двигателя.
Что-то в этой теме было не так, чего-то не хватало для понимания очень важных сфактов, и я решил изучить эту ситуацию. И вот к каким выводам я пришел:
-совершенно ужасный – мизерный – КПД двигателя Ленуара получался потому, что он имел совершенно недопустимо малую СРЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
— а очень достойным КПД в 15 % атмосферный двигатель Отто, работающий без сжатия, обладал от того, что имел очень большую СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
Правда этот двигатель Отто имел очень плохой крутящий момент и очень неровный режим вращения главного вала, поэтому и потом был быстро вытеснен 4-х тактными дви-гателями. Но вот со значением КПД у него было очень прилично.

Итак – смотрим на двигатель Ленуара. Этот двигатель работал по 2-х тактному циклу. Вначале на линии рабочего хода поршень втягивал в себя светильный газ и воздух (Рабочую Смесь). Затем клапан подачи закрывался. Электрическая свеча давала искру — и Рабочая Смесь вспыхивала, и горячий газ усиленного давления толкал поршень дальше. Затем при обратном ходе поршень выталкивал продукты горения из цилиндра, и затем все повторялось вновь.

Т.е. в одном рабочем такте — на «линии расширения» — были совмещены ТРИ рабочих процесса:
— впуск Рабочей Смеси;
— горение Рабочей Смеси;
— расширение Рабочего Тела;
   Давайте внимательно посмотрим на габариты рабочих органов двигателя Ленуара и сделаем некоторые грубые расчеты. Диаметр поршня — 120 мм и ход поршня — 100 мм. Описания двигателя того времени сохранили данные о том, что на всасывание газа и воздуха отводилось расстояние примерно в половину длины «линии расширения». Затем клапан подачи закрывался и электросвеча давала искру. Т.е. на процесс расширения, вернее на объединённый процесс «горение-расширение» оставалось менее полвины длины рабочего хода… Искра поджигала смесь газа и воздуха, происходила вспышка, температура и давление газов в цилиндре резко увеличивалось и рабочее давление с усилием гнало поршень дальше.   Максимальный пик рабчего давления газов на поршень составлял 5 атмосфер. Но надо понимать- что Рабочая Смесь поджигалась в условиях все углубляющегося падения давления – ведь поршень продолжал двигаться создавая разрежение ниже атмосферного давления… В таких условиях поджигаться могла только очень «богатая» смесь, перенасыщенная газом. Соответственно — сгорание в таком режиме было крайне неполным, да еще и расшириться продуты сгорания вряд ли могли полноценно – ведь длина рабочего хода была крайне малой.   Т.е. для поршня диаметром в 120 мм. длина рабочего хода составляла менее 50 мм. Можно смело считать, что на выхлоп шли газы весьма высокого давления, да еще и перенасыщенные не сгоревшим светильным газом. Соответственно двигатель таких параметров имел мощность всего 0,5 лошадиной силы при частоте вращения вала в 120-140 оборотов в минуту. 
ВЫВОД- двигатель Ленуара имел такой низкий КПД и такую малую мощность прежде всего по причине очень малой длины рабочего хода (когда рабочие газы просто не имели возможности сработать) и очень неэффективной организации рабочих процессов, когда предельно «богатая» Рабочая Смесь поджигалась при давлении заметно ниже атмосферного в условиях активного расширения объема. Т.е. этот двигатель следовало обозначить, как двигатель, работающий с ПРедварительным РАСШИРЕНИЕМ (разрежением) Рабочей Смеси….

   ДАЛЕЕ – рассмотрим схему работы другого двигателя, работавшего без предварительного сжатия Рабочей Смеси, но имевшего КПД в 15 %. Это атмосферный двигатель Отто образца 1864 года. Это был очень необычный двигатель. Он по своей кинематике казался чем-то совершенно уродливым и не пригодным к работе, но при «корявой» кинематической схеме, он действовал по весьма рациональной схеме организации рабочих процессов и поэтому имел КПД в 15%. Цилиндр этого двигателя был установлен вертикально и поршень двигателя двигался вверх- вниз. При этом в этом двигателе не было КШМ, а поршень имел направленную вверх очень длинную зубчатую рейку, которая входила своими зубьями в зацепление с шестерней и вращала её.

При этом, когда под поршнем взрывалась Рабочая Смесь, и поршень мгновенно взлетал вверх – то шестеренка вращалась вхолостую, ибо специальный механизм отсоединял ее от маховика машины. Затем, когда поршень и рейка достигали крайней верхней точки, и давление рабочих газов в поршне переставало действовать, поршень и рейка под своим весом начинали путь вниз. В этом момент шестерня присоединялась к валу маховика, и начинался рабочий ход. Таким образом — двигатель действовал рывковыми импульсами и имел очень плохой режим кутящего момента. Двигатель к тому же имел малую мощность, так как усилие создавали только вес поршня и рейки (т.е. работала сила тяжести), а так же давление атмосферного воздуха, когда остывающими газами и поднятым вверх поршнем в цилиндре создавалось разряжение. Именно поэтому двигатель назывался атмосферным, ибо в нем вместе с силой тяжести работала и сила атмосферного давления.
   Но зато – в такой конструкции двигателя были крайне удачно организованы рабочие процессы. Рассмотрим, как были организованы и действовали рабочие процессы в этом двигателе. 

   Вначале специальный механизм поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и туда происходило всасывание смеси воздуха и газа. Далее поршень останавливался. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через особую трубку. При взрыве горючего газа давление под поршнем скачкообразно поднималось до 4 атм. Это действие подбрасывало поршень вверх, объём газа в цилиндре увеличивался и давление под ним падало, так как внутренний объем поршня не имел связи с атмосферой и был в этот момент герметично закрыт. При подбрасывании взрывом поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось значительное разрежение. В данном случае рабочий ход оказывался максимальной длинны, и продолжался до тех пор, пока вся энергия сгоревшего топлива (в виде избыточного давления Рабочего Тела) полностью не израсходовалась на подъем поршня. Заметьте, что на фотографии двигателя видно – длинна рабочего хода (высота цилиндра) многократно — в 6-8 раз больше диаметра поршня. Вот какой длины был у него рабочий ход. В то время как в современных поршневых моторах диаметр поршня примерно равен рабочему ходу. Только в дизелях – этих современных чемпионах экономичности – рабочий ход примерно на 20-30 процентов больше диаметра цилиндра. А тут – больше в 6 или даже 8 раз….
   Далее- поршень устремлялся вниз и начинался рабочий ход поршня под нагрузкой собственного веса и под действием атмосферного давления. После того, как давление сжимаемого в цилиндре газа на пути поршня вниз достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Все это время длинная зубчатая рейка крутила шестерню, соединенную валом с маховиком. Именно так производилась мощность двигателя. После возвращения поршня в нижнюю точку траектории движения все повторялось снова — спец механизм плавно поднимал его вверх и происходило всасывание свежей порции Рабочей Смеси. 

   В такой необычной схеме двигателя по причине предельно полного расширения нагретого Рабочего Тела КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и поэтому достигал 15 %. Кроме того – поджигание рабочей смеси в атмосферном двигателе Отто происходило при атмосферном давлении, тогда как в двигателе Ленуара этот процесс происходил в условиях нарастающего разрежения, т.е. в условиях нарастающего падения сил давления, когда давление оказывалось заметно меньше атмосферного. 
Еще нужно сказть, что по принципиильной схеме близкой к схеме этого двигателя сегодня работают копры — дизель-молоты. Правда подача и поджигание топлива в них устроено иначе, но общая принципиальная схема движения рабочего органа- та же самая.

   Есть еще одна особенность – которая играла на заметный рост КПД. Это особенности не было ни в двигателе Ленуара, нет ее и в современных 2-х и 4-х тактных двигателях.
В атмосферном двигателе Отто в момент поджигания Рабочей Смеси поршень стоял на месте, и при горении первых порций топлива в объеме сгорания создавалось нарастающее давление, т.е. порции топлива, которые сгорали во вторую, в третью и в последующую очередь – они сгорали в условиях нарастающего давления, т.е. сжатие Рабочей Смеси происходило за счет нарастаний давления от вспышки и выделения тепла первых порций горящего заряда. При этом инерционность давящей сверху на горящий газ системы – поршня, длинной рейки и атмосферного давления, создавала сильное сопротивление первому импульсу движения вверх, что и приводило к заметному повышению давления в среде горящего газа. Т.е. в атмосферном двигателе Отто горение Рабочей Смеси происходило в условиях резкого сжатия основного объема еще не начинающей гореть части заряда горючего газа. Хотя предварительного сжатия поршнем и не было. Именно это появляющееся во время горения заряда Рабочей Смеси фактическое сжатие значительной величины большей части паров топлива (вместе с рабочим ходом большой длинны) и играло на значительный КПД атмосферного двигателя Отто образца 1864 года.
А вот современные поршневые двигатели, как и двигатель Ленуара 150 лет назад, вынуждены поджигать свежий заряд Рабочей Смеси и условиях резко расширяющегося объема, когда поршень (а его очень мощно движет шатун и коленвал) отчаянно убегает от донышка цилиндра и расширяет объем «камеры сгорания». Для справки — скорость движения поршня в современных двигателях – 10-20 метров в секунду, а скорость распространения фронта пламени в сильно сжатом заряде паров топлива – 20-35 метров в секунду. Но в современных двигателях для устранения этого неприятного положения можно пробовать под-жечь заряд Рабочей Смеси «рано» — т.е. до достижения движущимся поршнем на линии завершения предыдущего такта Верхней Мертвой Точки (ВМТ), или в положении около этой точки. А вот в двигателе Ленуара это было невозможно, ибо после достижения поршнем ВМТ начинался процесс всасывания свежей порции горючего газа и воздуха, а ее поджигание возможно только в условиях резко увеличивающегося объема «камеры сгорания» и резкого падения давления в свежей порции Рабочей Смеси ниже атмосферного. Именно поэтому двигатель Ленуара и имел такой предельно низкий КПД.

   Можно предположить, что если бы атмосферный двигатель Отто имел искровое электрическое зажигание (как более ранний двигатель Ленуара), то его КПД мог бы вполне приблизиться к 20%. Дело в том, что при зажигании заряда Рабочей Смеси в цилиндре открытым пламенем через особую трубку при вспышке некоторая часть горящего заряда вылетала в атмосферу через эту трубку и это были заметные потери… Если бы такие потери удалось исключить, то КПД этого двигателя был бы заведомо выше.
Но Отто не обладал знаниями в области электротехники (как Ленуар), поэтому он и установил на свой атмосферный двигатель такую примитивную и уменьшающую КПД систему зажигания.

   ВЫВОДЫ из этой статьи таковы:
1) – устоявшееся мнение о возможности достижения предельно высокого КПД двигателя преимущественно за счет максимально возможной степени предварительного сжатия Рабочей Смеси справедливо только для конструкций поршневых двигателей , где стремительно движущийся от «донышка» цилиндра в сторону коленвала поршень (за счет принудительного привода от коленвала) с огромной скоростью расширяет объем «камеры сгорания» и уменьшает давление поджигаемого (и горящего- тоже) заряда Рабочей Смеси. В поршневом двигателе Ленуара, работающем без предварительного сжатия Рабочей Смеси, этот недостаток поршневых двигателей проявлялся особенно ярко. Что и приводило к его предельно низкому КПД.
   В современных поршневых двигателях всех типов для устранения именно этого конструктивного «родового» недостатка в организации рабочих процессов как раз и применяется предельно высокая степень предварительного сжатия – именно для того, чтобы заставить свежий заряд Рабочей Смеси гореть при достаточно высоких давлениях и температуре (не смотря на скоростное увеличение объема камеры сгорания и соответствующее падение давления в этой камере), что является залогом относительно полноценного горения заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высокого давления и высокой температуры.
2) – в истории техники существуют конструкции двигателей иных кинематических схем и иного способа организации рабочих процессов, где даже без предварительного сильного сжатия свежего заряда Рабочей Смеси можно достигнуть неплохих значений КПД даже при очень примитивной конструкции. Пример – атмосферный двигатель Отто образца 1864 года, с КПД в 15 %.
3) – можно создать высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания, в котором процессы сгорания свежего заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высоких параметров будут происходить путем естественного сжатия горящего заряда за счет самих сил горения в условиях камеры сгорания неизменного объема. Тем более, что процесс предварительного сжатия до высоких значений (в 20-30 атмосфер), который характерен для современных поршневых двигателей, требует затрат значительного количества энергии двигателя и применения массивных, громоздких и тяжелых деталей.
При этом основной вклад в достижение высокого КПД сделает большой параметр объема расширения (длинный рабочий ход), который будет значительно больше объема сжатия.

   ИМЕННО ТАКОЙ двигатель, не требующий затратного и громоздкого Предварительного Сжатия свежего заряда Рабочей Смеси высокого значения, автор данной статьи в настоящее время и создает. В этом двигателе предварительное сжатие будет осуществляться до невысоких значений, а основное сжатие заряда Рабочей Смеси в камере сгорания неизменного объема будет происходить за счет сил первого этапа самого горения. В идеале это будет детонационное горение: вспышка — взрыв. Далее Рабочее Тело высокого давления будет расширяться до конца своих возможностей в секторе расширения большого объема. 

Игорь Исаев.»Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее….»

Nissan утверждает, что его газовый двигатель стал более экономичным, но есть одна загвоздка.

Излишне говорить, что испытательный двигатель Nissan с 50% -ным КПД немного нетрадиционен.

Nissan

Одна из замечательных особенностей бензина заключается в том, что это невероятно энергоемкое топливо.Мы говорим о примерно в 100 раз более энергоемкой, чем литий-ионный аккумулятор. Проблема в том, что бензиновые двигатели не очень эффективны, поэтому большая часть хранимой химической энергии теряется в виде тепла, что, наряду с выбросами, возникающими при сжигании бензина, означает, что бензиновые двигатели оставляют много возможностей для улучшения.

За последние несколько десятилетий двигатели стали значительно эффективнее, в том числе в тепловом отделе. Большинство современных бензиновых двигателей имеют тепловой КПД около 40%.Это означает, что 40% энергии, создаваемой при сжигании топлива, превращается в движение. Согласно отчету, опубликованному в пятницу агентством Reuters, Nissan считает, что нашла способ увеличить это число до 50%.

Подъем на место водителя

Подпишитесь на информационный бюллетень Roadshow, чтобы получать последние новости об автомобилях и обзоры, которые будут отправляться вам на почту два раза в неделю.

Если повысить тепловой КПД двигателя так сложно, как Nissan это удалось? Ну, для начала, двигатель, который якобы сделал это, немного отличается от двигателя вашего типичного легкового автомобиля.Вместо того, чтобы приводить колеса автомобиля через трансмиссию, система Nissan E-Power использует бензиновый двигатель для зарядки аккумулятора, который приводит в действие колеса с помощью электродвигателей.

Поскольку нагрузка на двигатель более или менее постоянна, поскольку он питает генератор, Nissan может более агрессивно настраивать двигатель, чтобы он лучше работал в более узком наборе ситуаций. Это позволяет двигателю работать на гораздо более бедной (больше воздуха, меньше топлива) смеси при гораздо более высокой степени сжатия. Это достигается за счет более агрессивного нагнетания смешанной топливно-воздушной смеси в цилиндр и использования более сильной искры для его воспламенения.

Все это часть системы, которую Nissan называет STARC, или «сильный, неровный и надлежащим образом растянутый надежный канал зажигания». Это, наряду с более традиционной системой рециркуляции выхлопных газов, позволило Nissan достичь 46% теплового КПД в ходе испытаний. Последние 4% он составил за счет использования «технологий утилизации отработанного тепла», хотя неясно, что именно. Мы обратились за разъяснениями, но не получили ответа вовремя для публикации.

Nissan E-Power был представлен еще в 2016 году, и, хотя он еще не появился в США, мы были бы удивлены, если бы он этого не сделал в какой-то момент.

Nissan Leaf Plus 2020: Едем дальше и быстрее, чем раньше

Посмотреть все фото

Сейчас играет: Смотри: Nissan Frontier 2022 года: что старое, то наконец-то новое

5:11

Wärtsilä 31 самый эффективный двигатель в мире

Добро пожаловать в новое поколение двигателей.Wärtsilä 31 устанавливает новый стандарт энергоэффективности, обеспечивая самый низкий уровень расхода топлива среди всех четырехтактных двигателей в мире. Он также предлагает беспрецедентный уровень эксплуатационных гибкость и может быть легко адаптирована для работы с различными типами топлива и рабочими профилями. В течение всего срока службы двигателя Wärtsilä 31 вы получите лучшую поддержку по запасным частям, обслуживанию на месте, техническим вопросам, переоборудованию и Соглашения об обслуживании. Wärtsilä 31 — это просто самый экономичный, удобный и универсальный двигатель из когда-либо разработанных.

Wärtsilä 31 — это не один двигатель, а платформа, состоящая из трех различных продуктов — дизельного двигателя, газового двигателя и двухтопливного двигателя. Двигатели могут работать на широком спектре доступных видов топлива, таких как тяжелое жидкое топливо (HFO), судовое дизельное топливо (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (СПГ), этановый газ (LEG) или нефть. газ (LPG).

Ульф Остранд, директор Wärtsilä по программам разработки продуктов, курировал внедрение всех новых технологий, содержащихся в новом двигателе.Он объясняет, что это первая разработка платформы двигателя. одновременно для всех вариантов его топлива.

«Предыдущие двигатели изначально разрабатывались для работы на дизельном топливе, а затем были адаптированы для работы на газе», — говорит он. «Это сделало невозможным когда-либо полностью оптимизировать их характеристики и топливную экономичность для газового или двухтопливного режимов».

«Это совершенно новый движок, который мы разработали с нуля», — добавляет Джулио Тирелли, директор по портфелю движков и приложениям.«Это результат почти десяти лет разработки и содержит самые передовые технологии, открывающие двери для дальнейшего развития ».

Топливная эффективность

Новый Wärtsilä 31 — самый экономичный четырехтактный двигатель, доступный в настоящее время на рынке. Дизельная версия двигателя потребляет в среднем на 8–10 г / кВт · ч меньше топлива по сравнению с ближайшим конкурентом на всем протяжении. диапазон нагрузки. В оптимальной точке это число может снизиться до 165 г / кВтч.В пересчете на эксплуатационные расходы ежедневная экономия на поставке эталонного буксира для обработки якорей (AHTS) составила бы около 10 000 евро в день в виде расходов на топливо.

«Повышение топливной эффективности такого масштаба никогда не достигалось за один шаг», — говорит Остранд. «И мы сделали это за один присест».

«Сегодня топливная экономичность — это высший показатель технологического прогресса», — соглашается Тирелли. «И повышение производительности на 10 г / кВтч при запуске одного продукта — это значительное улучшение.Этот двигатель достиг уровня эффективности это, всего несколько лет назад, считалось физически невозможным ».

Внимание к экологическому развитию

Поскольку выбросы вызваны сжиганием топлива, вполне естественно, что двигатель, потребляющий значительно меньше топлива, также производит значительно меньше выбросов. Совершенно новый Wärtsilä 31 не только соответствует требованиям стандарта IMO Tier II по выбросам. стандарта, он также соответствует законодательству IMO Tier III, которое вступит в силу в 2016 году.Кроме того, двухтопливная концепция позволяет судам легко переключаться с дизельного топлива на газ в зависимости от того, где они работают.

«Будучи лидером на рынке по топливной эффективности, судно будет производить значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. В двухтопливной версии он может работать на дизельном топливе в зоне Tier II, а затем переключаться на газ при переходе в Tier III. область (например, зона контроля выбросов или ECA). Переключение происходит мгновенно — нет необходимости ждать переключения — судно может просто продолжать движение с той же скоростью.”

Меньше обслуживания, больше времени безотказной работы

Что касается обслуживания, затраты, связанные с новым Wärtsilä 31, были снижены примерно на 20%. В то время как стандартные двигатели аналогичной мощности требуют первой остановки для технического обслуживания примерно через 1000 часов работы, первая остановка на новом двигателе проходит через 8000 моточасов.

«Поскольку мы знаем, насколько важно время безотказной работы для прибыльности наших клиентов, сокращение потребности в техническом обслуживании было одним из наших главных приоритетов для этого нового двигателя», — объясняет Остранд.«Мало того, что его компоненты имеют более длинный срок службы, мы также вложили много энергии в сокращение времени, необходимого для его обслуживания ».

Удаленный доступ к эксплуатационным данным обеспечивает расширенную поддержку и немедленное реагирование со стороны Wärtsilä для обеспечения безопасной эксплуатации судна или электростанции независимо от ее местонахождения. Преданный специалист со старшим техническим уровнем опыт дает советы экипажу по телефону и электронной почте. Это сокращает количество внеплановых посещений для технического обслуживания на борту.

Модульная конструкция

Модульная конструкция нового Wärtsilä 31 позволяет легко снимать и заменять целые модули двигателя. Это сокращает время обслуживания, поскольку модуль можно просто заменить, вместо того, чтобы разбирать каждую отдельную часть.

«Этот переход от отдельных запасных частей к« сменным узлам », означающий замену целых узлов или модулей, таких как силовые агрегаты, форсунки и топливные насосы высокого давления, способствует более эффективному обслуживанию. и увеличивает время безотказной работы », — говорит Остранд.

Когда двигатель требует технического обслуживания, время простоя будет значительно сокращено, поскольку весь модуль можно просто вынуть и заменить на заменяемый. Модули обмена перечислены в руководстве по запасным частям и доступны на складе.

Операционная гибкость

Операционная гибкость — главная проблема для морских приложений, поскольку многие суда работают при низкой нагрузке, но также требуют возможности быстрого набора мощности. Операторам необходимо убедиться, что они могут работать при низких нагрузках, обеспечивая при этом максимальную топливную эффективность. и рентабельность.Wärtsilä 31 можно легко адаптировать к различным рабочим профилям, с различными настройками, благодаря передовой системе автоматизации двигателя в сочетании с гибкостью впрыска топлива и впуска воздуха. системы. Дальнейшие улучшения для операций с низкой нагрузкой также могут быть достигнуты путем установки пакета с низкой эффективностью нагрузки, который включает некоторые механические изменения.

«Благодаря чрезвычайно высокому уровню автоматизации мы смогли оптимизировать несколько моментов, которые мы не смогли бы адаптировать в прошлом», — объясняет Тирелли.

«Многие механические системы невозможно настроить для разных рабочих профилей, но современные электронные и гидравлические системы легко адаптировать к рабочим потребностям клиента», — соглашается Остранд, добавляя, что если владелец хочет изменить способ эксплуатации существующего судна, его всегда можно перенастроить в соответствии с новыми требованиями.

Двигатель, ориентированный на будущее

Модульная конструкция не только способствует быстрому ремонту, но и поддерживает будущие обновления.По словам Ульфа Остранда, это делает двигатель «перспективным»:

«В будущем, когда мы разработаем новую технологию, судовладелец может просто установить модуль, содержащий обновление. Это будет особенно полезно при введении новых стандартов выбросов, но может также применяться к будущим видам топлива. Мы разработали продукт, который можно легко адаптировать к любым будущим возможностям. Я называю это двигателем, отвечающим требованиям завтрашнего дня ».

Три двигателя, одна общая платформа

Работа над новым Wärtsilä 31 началась еще в 2010 году.Инженеры Wärtsilä намеревались создать платформу двигателя с высоким уровнем общности между тремя вариантами двигателей.

«Три двигателя почти идентичны», — говорит Джулио Тирелли. «Техник, обученный работе с одним, обнаружит, что с двумя другими очень легко работать, в то время как владельцы более чем одного типа двигателя уменьшат количество запасных частей. косяки, благодаря высокой унифицированности деталей. Кроме того, двигатель, который изначально был куплен, например, для работы на дизельном топливе, может быть легко адаптирован к использованию в качестве газового или двухтопливного двигателя, если требования заказчика со временем изменятся срока службы продукта.

«Благодаря модульной конструкции и использованию общих технологий в различных вариантах, двигатель может быть преобразован из одного варианта в другой с незначительными механическими изменениями», — добавляет Остранд. «Это делает его надежным выбором. на будущее, независимо от изменений в наличии топлива или возможных серьезных колебаний цен на топливо ».

Подробнее о Wärtsilä 31

Меньше энергии, затрат, времени простоя и выбросов. Больше гибкости и времени безотказной работы.

Энергоэффективность. Потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок, обеспечивая ежедневную экономию до 10 000 евро.

Топливная гибкость. Wärtsilä 31 может работать на широком спектре видов топлива: мазут (HFO), дизельное топливо для судов (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (LNG), этановый газ (LEG) или нефть. газ (LPG).

Экономическая эффективность . Затраты на техническое обслуживание снизились примерно на 20%.

Меньше обслуживания , больше времени безотказной работы. Первая остановка для технического обслуживания наступает через 8 000 часов по сравнению с 1 000 часов для стандартных двигателей аналогичной мощности. Наличие модулей обмена обеспечивает короткие простои для техническое обслуживание.

Операционная гибкость. Полностью работоспособен, везде. Двухтопливный двигатель позволяет легко переключаться на газ при въезде в зону Tier III без каких-либо изменений скорости. Wärtsilä 31 легко адаптируется для различных рабочие профили и любые будущие возможности.

Меньше выбросов. Значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. Полностью соответствует правилам IMO Tier III, вступающим в силу в 2016 году.

Рекордный КПД для газового двигателя

Двухлитровый четырехцилиндровый газовый двигатель с форкамерой на испытательном стенде в лаборатории двигателей Empa. Кредит: Empa

В конце мая в Брюсселе состоялась финальная встреча проекта «Горизонт 2020» «GasOn» с Комиссией ЕС.Целью этого проекта ЕС было дальнейшее развитие газовых двигателей для автомобилей и фургонов. В нем приняли участие около 20 партнеров, в том числе ETH Zurich и Empa, а также четыре европейских производителя автомобилей и известные поставщики. Транспортные средства, работающие на газе, обычно выделяют меньше загрязняющих веществ, чем автомобили с бензиновым или дизельным двигателем. Они, вероятно, приобретут значение в будущем из-за возможности использования возобновляемых источников энергии.

Помимо электрических и водородных силовых агрегатов, газовые двигатели также играют важную роль в Швейцарском центре энергетических исследований в области мобильности (SCCER Mobility), возглавляемом ETH Zurich.Это связано с тем, что автомобили, работающие на предварительно обработанном биогазе или синтетическом метане («электронный газ»), имеют очень низкие выбросы CO ₂ . Синтетический метан производится из возобновляемой избыточной электроэнергии и CO ₂ . Предварительно обработанный биогаз и синтетический метан можно смешивать по желанию, и с октановым числом до 130, они имеют значительно более высокую стойкость к детонации, чем бензин, что делает их идеальным топливом для двигателей внутреннего сгорания. При высоких нагрузках, например, на автомагистрали, автомобили с бензиновым двигателем уже достигают более высокого КПД, чем бензиновые двигатели.

Однако эффективность все еще может быть значительно увеличена — из-за высокой детонационной стойкости метана — потому что современные газовые двигатели в легковых автомобилях обычно представляют собой лишь слегка адаптированные бензиновые двигатели, то есть концепции, которые еще не были оптимизированы для работы с метаном. Чтобы выявить этот неиспользованный потенциал, в 2015 году был запущен проект ЕС «GasOn». Исследователи из ETH Zurich и Empa также участвовали в этом проекте в рамках рабочего пакета, возглавляемого Volkswagen Group Research.

Разобрали форкамеру. Кредит: Empa

Оптимизированный для газа двигатель

В газовом двигателе объемом два литра был реализован высокоэффективный процесс сгорания: бедная газовая смесь воспламеняется с помощью форкамеры с ограничением потока размером с гильзу. В лаборатории аэротермохимии и систем сгорания ETH базовые эксперименты проводились на оптически доступных двигателях. Они использовались для исследования поведения воспламенения в форкамере и перетекания горячих лучей в основную камеру сгорания.На основе этих данных были разработаны численные инструменты для детального расчета процессов с использованием компьютерного моделирования. Эти результаты позволили Volkswagen Group Research оптимизировать конструкцию форкамеры и основной камеры сгорания. Ученые Empa настроили двигатель и исследовали процесс сгорания. Использовалась система управления двигателем, разработанная Институтом динамических систем и технологий управления ETH Zurich, которая координирует сложную общую систему и в то же время позволяет адаптироваться к новым открытиям.

Разрез головки блока цилиндров испытуемого двигателя: в центре видна форкамеру со свечой зажигания и подачей газа. Кредит: Empa

Результат: рекордная эффективность для двигателей легковых автомобилей

По сравнению с современным уровнем техники, потребление нового газового двигателя с форкамерным процессом сгорания было снижено на 20 процентов (пересчитано в стандартное потребление WLTP для легкового автомобиля среднего размера).Максимальный КПД в наилучшей конфигурации двигателя составил более 45 процентов, при этом КПД более 40 процентов был достигнут в широком рабочем диапазоне. Такие значения в настоящее время достигаются только значительно более крупными двигателями, такими как те, которые используются в коммерческих транспортных средствах, стационарных или морских установках. 45 процентов — это новый рекорд для двигателей легковых автомобилей. Для сравнения: бензиновые двигатели обычно имеют КПД от 35 до 40 процентов. В проекте GasOn еще не рассматривается обработка выхлопных газов такого двигателя; по-прежнему необходимы дальнейшие исследования из-за процесса сжигания обедненной смеси.

В целом было показано, что газовые двигатели обладают потенциалом для достижения эффективности, аналогичной (значительно более мощным) дизельным двигателям. Кроме того, они могут легко работать с любой смесью возобновляемого биогенного или синтетического метана и, таким образом, обеспечивать очень низкие выбросы CO ₂ . Участвующие производители автомобилей сейчас собираются выяснить, как результаты проекта GasOn могут быть перенесены на серийные автомобили.

---

Pinnacle Engines разрабатывает эффективный бензиновый двигатель с низким уровнем выбросов с использованием суперкомпьютеров.

---

Предоставлено Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий

Цитата : Рекордный КПД для газового двигателя (20 июня 2019 г.) получено 23 июля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2019-06 -fficiency-gas.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Nissan достигает 50% теплового КПД с системой e-POWER нового поколения; STARC

Компания Nissan объявила о прорыве в эффективности двигателей, достигнув 50% теплового КПД с разрабатываемой системой e-POWER следующего поколения.

Система Nissan e-POWER использует бортовой бензиновый двигатель для обеспечения электрической энергией аккумуляторной батареи электронного силового агрегата. Новейший подход Nissan к разработке двигателей поднял планку до мирового уровня, превысив нынешний средний для автомобильной промышленности диапазон 40% теплового КПД, что позволило еще больше снизить выбросы CO ₂ в автомобилях.

Стремясь к 2050 году обеспечить экологическую нейтральность на протяжении всего жизненного цикла нашей продукции, Nissan планирует к началу 2030-х годов электрифицировать все новые модели, представленные на основных рынках.Стратегия электрификации Nissan способствует разработке электронных силовых агрегатов и высокоэффективных аккумуляторов для электромобилей, при этом e-POWER представляет собой еще одну важную стратегическую опору.

— Тошихиро Хираи, старший вице-президент инженерного отдела силовых агрегатов и электромобилей

Транспортные средства с обычным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) требуют мощности и производительности от двигателя в широком диапазоне скоростей (об / мин) и нагрузок. Это фундаментальное требование означает, что обычные двигатели не могут всегда работать с оптимальной эффективностью.

Однако система Nissan e-POWER использует бортовой двигатель в качестве специального генератора электроэнергии для электронной трансмиссии системы. Работа двигателя ограничена его наиболее эффективным диапазоном, соответствующим образом регулируя выработку электроэнергии двигателем и количество электроэнергии, хранящейся в батарее.

Благодаря такому целенаправленному подходу, развитию аккумуляторных технологий и методов управления энергопотреблением компания Nissan смогла повысить термический КПД по сравнению с нынешними уровнями.Разработка системы e-POWER следующего поколения продолжает этот путь повышения эффективности благодаря проектированию и разработке двигателя Nissan исключительно для e-POWER.

Концепция STARC. Для достижения 50% -ного теплового КПД компания Nissan разработала концепцию под названием «STARC», названную в честь ключевых слов «сильный», «кувыркающийся» и «правильно растянутый прочный канал зажигания». Эта концепция позволяет повысить термический КПД за счет усиления потока газа в цилиндре (потока топливовоздушной смеси, которая втягивается в цилиндр) и зажигания, надежно сжигая более разбавленную воздушно-топливную смесь при высокой степени сжатия.

В обычном двигателе существуют ограничения на управление уровнем разбавления топливовоздушной смеси, чтобы реагировать на изменение движущих нагрузок, с некоторыми компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как расход газа в цилиндре, метод зажигания и степень сжатия, которая может пожертвовать эффективностью ради выходной мощности.

Однако специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне частоты вращения и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить термический КПД.

При внутренних испытаниях Nissan достиг теплового КПД 43% при использовании метода разбавления EGR и 46% при использовании обедненного горения (коэффициент избытка воздуха λ = 2) с многоцилиндровым двигателем. Уровень 50% был достигнут за счет работы двигателя при фиксированных оборотах и ​​нагрузке в сочетании с технологиями утилизации отработанного тепла.

Система Nissan e-POWER. e-POWER был впервые представлен в Японии в 2016 году вместе с Nissan Note. В его основе лежит та же технология, полностью управляемая электродвигателем, которая используется в Nissan LEAF для обеспечения мгновенного крутящего момента, мощности, эффективности и азарта.Система включает бензиновый двигатель с генератором энергии, инвертор, аккумулятор и электродвигатель.

В отличие от традиционной гибридной системы, e-POWER позволяет использовать бортовой двигатель исключительно для выработки электроэнергии, разделяя мощность двигателя и движущую силу на колесах.

В конце декабря 2020 года Nissan выпустил на рынок Японии совершенно новый Note. Совершенно новый Note поставляется исключительно с e-POWER и уже получил более 20 000 заказов.Как самая продаваемая модель компании на внутреннем рынке, Note играет ключевую роль в глобальном плане трансформации бизнеса Nissan NEXT.

Высокоэффективные и экологически чистые двигатели на природном газе для транспортных средств

1.

Янг З., Бандивадекар А. Стандарты по парниковому газу и экономии топлива для легковых автомобилей (2017). https://ec.europa.eu/clima/policies/transport/vehicles_en.htm

2.

Димопулос П., Бах К., Солтик П. и др .: Смеси водорода и природного газа, используемые в двигателях легковых автомобилей: сгорание, выбросы и оценка от скважины до колес.Int. J. Hydrog. Энергетика 33 (23), 7224–7236 (2008)

Google Scholar

3.

Тонг, Л., Ван, Х., Чжэн, З. и др .: Экспериментальное исследование сгорания RCCI и расширения нагрузки в двигателе с воспламенением от сжатия, работающем на бензине и PODE. Топливо 181 , 878–886 (2016)

Google Scholar

4.

Коракианитис, Т., Намасиваям, А.М., Крукс, Р.J .: Характеристики и выбросы двигателя с искровым зажиганием (SI) и воспламенением от сжатия (CI), работающим на природном газе. Прог. Энергия сгорания. Sci. 37 (1), 89–112 (2011)

Google Scholar

5.

Бартолуччи, Л., Кординер, С., Мулоне, В. и др .: Стабильное сгорание природного газа в сверхбедных рабочих условиях в двигателях внутреннего сгорания. Энергетические процедуры 101 , 886–892 (2016)

Google Scholar

6.

Чжан, К., Сюй, З.С., Ли, М.Х. и др .: Сгорание и выбросы тяжелого двигателя, работающего на природном газе Евро VI, с использованием EGR и TWC J. Nat. Gas Sci. Англ. 28 , 660–671 (2016)

Google Scholar

7.

Ху, Э., Хуанг, З., Лю, Б. и др .: Экспериментальное исследование характеристик и выбросов двигателя с искровым зажиганием, работающего на смеси природного газа и водорода в сочетании с системой рециркуляции отработавших газов. Int. J. Hydrog. Энергетика 34 (1), 528–539 ​​(2009)

Google Scholar

8.

Ниман Д.Э., Демпси А.Б., Райтц Р.Д .: Работа в тяжелых условиях эксплуатации RCCI с использованием природного газа и дизельного топлива. SAE Int. J. Двигатели 5 (2), 270–285 (2012)

Google Scholar

9.

Hwang, J., Bae, C., Park, J., et al .: Воспламенение плазмы с помощью микроволн в камере сгорания постоянного объема. Гореть. Пламя 167 , 86–96 (2016)

Google Scholar

10.

Бёкер, Д., Брюггеманн, Д.: Содействие бедному сжиганию водородно-воздушных смесей за счет искрового зажигания, индуцированного лазером. Int. J. Hydrog. Энергетика 36 (22), 14759–14767 (2011)

Google Scholar

11.

Дейл, Д.Д., Чекел, М.Д., Сми, П.Р .: Применение высокоэнергетических систем зажигания в двигателях. Прог. Энергия сгорания. Sci. 23 (5), 379–398 (1997)

Google Scholar

12.

Неер Д., Шолль Ф., Тешендорф В. и др.: Контролируемое воспламенение от горячей поверхности при стационарной работе на бензине и природном газе. Технический документ SAE 2012-32-0006 (2012)

13.

Attard, WP, Fraser, N., Parsons, P., et al .: Система сгорания с форкамерой турбулентного струйного зажигания для значительного повышения экономии топлива в современный автомобильный силовой агрегат. SAE Int. J. Двигатели 3 (2), 20–37 (2010)

Google Scholar

14.

Шлаттер, С., Шнайдер, Б., Райт, Ю.М. и др .: Сравнительное исследование систем зажигания для двигателей на обедненном газе в оптически доступной машине расширения с быстрым сжатием. Технический документ SAE 2013-24-0112 (2013)

15.

Генц, Г., Телен, Б., Голарнишири, М., и др .: Исследование влияния диаметра отверстия на систему зажигания турбулентной струи посредством визуализации горения и определения характеристик в машине быстрого сжатия. Прил. Therm. Англ. 81 , 399–411 (2015)

Google Scholar

16.

Телен, Б.К., Генц, Г., Тулсон, Э .: Расчетное исследование системы турбулентного струйного зажигания для работы на обедненной смеси в машине быстрого сжатия. Технический документ SAE 2015-01-0396 (2015)

17.

Бисвас, С., Цяо, Л .: Форкамерное зажигание горячей струей ультра-бедных смесей H ₂ / воздуха: влияние сверхзвуковых струй и нестабильность горения . SAE Int.J. Двигатели 9 (3), 1584–1592 (2016)

Google Scholar

18.

Генц, Г.Р., Тулсон, Э .: Экспериментальные исследования турбулентного струйного воспламенителя, работающего на жидком пропане, в машине быстрого сжатия. SAE Int. J. Engines 9 (2), 777–785 (2016)

Google Scholar

19.

Gholamisheeri, M., Thelen, B., Gentz, G., и др .: Моделирование CFD вспомогательной системы турбулентного струйного зажигания на топливе в машине быстрого сжатия.Технический документ SAE 2016-01-0599 (2016)

20.

Бисвас, С., Цяо, Л .: Численное исследование воспламенения сверхбедных предварительно смешанных смесей H ₂ / воздух с помощью сверхзвуковой горячей струя. SAE Int. J. Engines 10 (5), 2231–2247 (2017)

Google Scholar

21.

Генц, Г., Голамишири, М., Тулсон, Э .: Исследование системы зажигания турбулентной струи, работающей на изооктане: анализ следа давления и визуализация горения.Прил. Энергетика 189 , 385–394 (2017)

Google Scholar

22.

Gholamisheeri, M., Thelen, B., Toulson, E .: CFD-моделирование и экспериментальный анализ однородно заряженной системы турбулентного струйного зажигания в машине быстрого сжатия. Технический документ SAE 2017-01-0557 (2017)

23.

Ван, Б., Ван, З., Лю, К. и др .: Экспериментальное исследование ускоренного воспламенения пламенем на машине быстрого сжатия и двигателе большой мощности .Технический документ SAE 2017-01-2242 (2017)

24.

Бисвас, С., Цяо, Л .: Зажигание ультра-бедной предварительно смешанной смеси H ₂ / воздух с помощью нескольких горячих турбулентных струй, создаваемых предварительным сгоранием в камере . Прил. Therm. Англ. 132 , 102–114 (2018)

Google Scholar

25.

Цинь, Ф., Шах, А., Хуанг, З. В. и др.: Подробное численное моделирование переходного процесса смешения и горения предварительно смешанных смесей метан / воздух в системе предварительной камеры / основной камеры, относящейся к двигатель внутреннего сгорания.Гореть. Пламя 188 , 357–366 (2018)

Google Scholar

26.

Ван, Н., Лю, Дж., Чанг, В.Л. и др.: Численное исследование характеристик горения и струи водородной камеры турбулентного зажигания горячей струей (THJI). Int. J. Hydrog. Энергетика 43 (45), 21102–21113 (2018)

Google Scholar

27.

Болла, М., Шапиро, Э., Тини, Н.и др.: Численное моделирование предкамерного горения в оптически доступном RCEM. Технический документ SAE 2019-01-0224 (2019)

28.

Десантес, Дж. М., Новелла, Р. и др .: Достижение сверхбедного сгорания с использованием системы искрового зажигания с предварительной камерой в машине быстрого сжатия-расширения . Технический документ SAE 2019-01-0236 (2019)

29.

Gholamisheeri, M., Thelen, BC, Gentz, GR, et al .: исследование машины быстрого сжатия предварительно смешанной, переменной плотности на входе и скорости потока в ограниченном пространстве турбулентная струя.Гореть. Пламя 169 , 321–332 (2016)

Google Scholar

30.

Генц, Г., Телен, Б., Литке, П., и др.: Визуализация горения, характеристики и моделирование CFD системы турбулентного струйного зажигания с форкамерой в машине быстрого сжатия. SAE Int. J. Двигатели. 8 (2), 538–546 (2015)

Google Scholar

31.

Телен, Британская Колумбия, Тулсон, Э.: Расчетное исследование влияния размера отверстия на производительность системы зажигания турбулентной струи. Proc. Inst. Мех. Англ. D J. Automob. Англ. 231 (4), 536–554 (2017)

Google Scholar

32.

Бисвас, С., Танвир, С., Ван, Х. и др .: О механизмах зажигания предварительно смешанных CH ₄ / воздух и H ₂ / воздух с использованием горячей турбулентной струи, создаваемой форкамеры сгорания. Прил. Therm. Англ. 106 , 925–937 (2016)

Google Scholar

33.

Телен, Британская Колумбия, Тулсон, Э .: Вычислительное исследование влияния местоположения искры на характеристики системы турбулентного струйного зажигания. Технический документ SAE 2016-01-0608 (2016)

34.

Эллисон П.М., Оливейра М., Джусти А. и др.: Механизм зажигания перед камерой: эксперименты и моделирование структуры пламени турбулентной струи. Топливо 230 , 274–281 (2018)

Google Scholar

35.

Дорофеев С.B .: Водородное пламя в трубках: критические расстояния разгона. Int. J. Hydrog. Энергетика 34 (14), 5832–5837 (2009)

Google Scholar

36.

Сильвестрини, М., Генуя, Б., Паризи, Г. и др.: Ускорение пламени и расстояние распространения ДДТ для гладких труб и труб, заполненных препятствиями. J. Loss Prev. Индекс процесса 21 (5), 555–562 (2008)

Google Scholar

37.

Рикардо, Х.Р .: Последние исследования в области двигателя внутреннего сгорания. Технический документ SAE 220001 (1922)

38.

Турецкий, М.К .: Трехклапанные двигатели со стратифицированным зарядом: развитие, анализ и развитие. Технический документ SAE 741163 (1974)

39.

Сасаки, Х., Секияма, С., Накашима, К.: Новая система сгорания теплоизолированного газового двигателя с форкамерой, имеющей горловой клапан. Int. J. Engine Res. 3 (4), 197–208 (2002)

Google Scholar

40.

Олсен, Д. Б., Адэр, Дж. Л., Уилсон, Б. Д.: Проектирование камеры предварительного сгорания и исследования рабочих характеристик двигателя большого диаметра, работающего на природном газе. Подразделение двигателей внутреннего сгорания ASME, Весенняя техническая конференция 2005 г., 41847, стр. 415–428 (2005)

41.

Шах А., Тунестал П., Йоханссон Б. двигатель на природном газе, работающий со свечой зажигания с предварительной камерой и разбавлением избыточным воздухом и системой рециркуляции отработавших газов. SAE Int. J. Двигатели 5 (4), 1790–1801 (2012)

Google Scholar

42.

Такашима Ю., Танака Х., Сако Т. и др.: Оценка рабочих характеристик двигателя и сгорания в двигателе, работающем на природном газе, с заглушкой форкамеры в условиях обедненного горения. SAE Int. J. Двигатели 8 (1), 221–229 (2014)

Google Scholar

43.

Тулсон, Э., Хуйсьен, А., Чен, X. и др .: Визуализация искрового зажигания пропана и природного газа и горения с турбулентным струйным зажиганием. SAE Int. J. Двигатели 5 (4), 1821–1835 (2012)

Google Scholar

44.

Шах, А., Тунестал, П., Йоханссон, Б .: Влияние относительной прочности смеси на характеристики техники зажигания с разделенными камерами «лавинно-активированным сгоранием» в тяжелом двигателе, работающем на природном газе. Технический документ SAE 2014-01-1327 (2014)

45.

Шах, А., Тунестал, П., Йоханссон, Б.: Влияние объема форкамеры и диаметра сопла на зажигание форкамеры в тяжелых естественных условиях. газовые двигатели. Технический документ SAE 2015-01-0867 (2015)

46.

Xiong, Q., Moriyoshi, Y., Морикава, К. и др .: Повышение теплового КПД двигателя на природном газе с предварительной камерой сгорания бедной смеси за счет оптимизации системы сгорания. Технический документ SAE 2017-01-0782 (2017)

47.

Сакураи, Т., Ико, М., Окамото, К. и др .: Основные исследования камер сгорания для двигателей на обедненном газе. Технический документ SAE 932710 (1993)

48.

Йоханссон, Б., Олссон, К .: Камеры сгорания для двигателей SI, работающих на природном газе, часть I: поток жидкости и сгорание. Технический документ SAE 950469 (1995)

49.

Олссон, К., Йоханссон, Б.: Камеры сгорания для двигателей SI, работающих на природном газе, часть 2: сгорание и выбросы. Технический документ SAE 950517 (1995)

50.

Ю, Х., Лю, З., Ван, З. и др .: Оптимизация сгорания в двигателе на сжатом природном газе за счет улучшения потоков в цилиндрах. Int. J. Automot. Technol. 14 (4), 539–549 (2013)

Google Scholar

51.

Ли, Ф., Лю, К., Сонг, Х. и др.: Улучшение характеристик сгорания и выбросов в тяжелых двигателях, работающих на природном газе, за счет использования поршней, повышающих турбулентность.Технический документ SAE 201-01-1685 (2018)

52.

Эванс, Р.Л .: Расширение предела обедненной смеси для двигателей, работающих на природном газе. J. Eng. Газовые турбины Power 131 (3), 032803–032805 (2009)

Google Scholar

53.

Ян, Б., Тонг, Л., Ван, Х., и др .: Экспериментальное и численное исследование влияния уровня возвратного потока в камере сгорания на характеристики сгорания и тепловой КПД стехиометрического режима работы двигателя на природном газе с EGR.Прил. Therm. Англ. 123 , 1473–1483 (2017)

Google Scholar

54.

Пузинаускас, П.В., Вилсон, Б.Д., Эванс, К.Х .: Оптимизация сгорания природного газа в двигателях с искровым зажиганием путем изменения конфигурации впускного потока. Технический документ SAE 2000-01-1948 (2000)

55.

Уиллер, Дж., Стейн, Дж., Хантер, Дж .: Влияние движения заряда, степени сжатия и разбавления на одноцилиндровый природный газ средней мощности. исследовательский двигатель.SAE Int. J. Двигатели 7 (4), 1650–1664 (2014)

Google Scholar

56.

Севик, Дж., Паммингер, М., Валлнер, Т. и др .: Влияние движения заряда и степени сжатия на характеристики концепции сгорания, использующей смесь бензина в цилиндрах и природного газа. J. Eng. Газовые турбины Power 140 (12), 121501–121510 (2018)

Google Scholar

57.

Шасби, Б. М .: Альтернативные виды топлива: неполное решение проблем автомобиля. M.Sc. Диссертация, Политехнический институт и университет штата Вирджиния, США, стр. 5–13 (2004)

58.

Боммисетти, Х., Лю, Дж., Коорагаяла, Р. и др .: Влияние состава топлива в КИ двигатель переведен на работу на природном газе SI. Технический документ SAE 2018-01-1137 (2018)

59.

Вавра, Дж., Такац, М., Клир, В .: Влияние состава природного газа на стехиометрические характеристики двигателя SI с турбонаддувом.SAE Technical 2012-01-1647 (2012)

60.

Karavalakis, G., Hajbabaei, M., Durbin, T. и др .: Влияние различных смесей природного газа на регулируемые выбросы, количество и размер частиц распределение выбросов от мусоровоза. SAE Int. J. Fuels Lubr. 5 (3), 928–944 (2012)

Google Scholar

61.

Krisman, A., Mounaïm-Rousselle, C., Sivaramakrishnan, R., et al .: Эталонное пламя природного газа при номинально самовоспламеняющихся условиях, связанных с двигателем.Proc. Гореть. Inst. 37 (2), 1631–1638 (2019)

Google Scholar

62.

Шнайдер С., Гейер Д., Магнотти Г. и др .: Структура стратифицированного пламени CH ₄ с добавкой H ₂ . Proc. Гореть. Inst. 37 (2), 2307–2315 (2019)

Google Scholar

63.

Хуанг, З., Ван, Дж., Лю, Б. и др .: Характеристики сгорания двигателя с прямым впрыском топлива, работающего на смесях природного газа и водорода, при различных временах зажигания.Топливо 86 (3), 381–387 (2007)

Google Scholar

64.

Баттистони, М., Мариани, Ф., Ризи, Ф. и др .: CFD-моделирование горения искрового двигателя с оптическим доступом, работающего на бензине и этаноле. Энергетические процедуры 82 , 424–431 (2015)

Google Scholar

65.

Ма, Ф., Ван, Й .: Исследование расширения предела работы на обедненной смеси за счет обогащения водородом в двигателе с искровым зажиганием на природном газе.Int. J. Hydrog. Энергетика 33 (4), 1416–1424 (2008)

Google Scholar

66.

Ван, Дж., Чен, Х., Лю, Б., и др .: Изучение от цикла к циклу двигателя с искровым зажиганием, работающего на смесях природного газа и водорода. Int. J. Hydrog. Энергетика 33 (18), 4876–4883 (2008)

Google Scholar

67.

Ма, Ф., Ван, Й., Лю, Х. и др.: Экспериментальное исследование теплового КПД и характеристик выбросов двигателя, работающего на обедненном топливе, обогащенном водородом на природном газе.Int. J. Hydrog. Энергетика 32 (18), 5067–5075 (2007)

Google Scholar

68.

Алджер, Т., Гингрич, Дж., Мангольд, Б .: Влияние обогащения водородом на допустимость рециркуляции отработавших газов в двигателях с искровым зажиганием. Технический документ SAE 2007-01-0475 (2007)

69.

Тартаковский, Л., Шейнтух, М .: Реформирование топлива в двигателях внутреннего сгорания. Прог. Энергия сгорания. Sci. 67 , 88–114 (2018)

Google Scholar

70.

Алджер Т., Мангольд Б.: Специальная система рециркуляции отработавших газов: новая концепция высокоэффективных двигателей. SAE Int. J. Двигатели 2 (1), 620–631 (2009)

Google Scholar

71.

Chadwell, C., Alger, T., Zuehl, J .: Демонстрация специальной системы рециркуляции отработавших газов на 2,0-литровом двигателе GDI. SAE Int. J. Двигатели 7 (1), 434–447 (2014)

Google Scholar

72.

Ли, С., Одзаки, К., Иида, Н. и др.: Возможность использования специального ОГВ в двигателях SI, работающих на природном газе, для повышения термического КПД и снижения выбросов NO _x . SAE Int. J. Двигатели 8 (1), 238–249 (2014)

Google Scholar

73.

Zhu, L., He, Z.Y., Xu, Z., и др .: Термохимический риформинг топлива (TFR) в цилиндрах двигателя природного газа с искровым зажиганием. Proc. Гореть. Inst. 36 (3), 3487–3497 (2017)

Google Scholar

74.

Лю, К., Сонг, Х., Чжан, П. и др.: Исследование характеристик самовоспламенения, искрового зажигания и распространения пламени на машинах быстрого сжатия H ₂ / CH ₄ / CO / воздушные смеси . Гореть. Пламя 188 , 150–161 (2018)

Google Scholar

75.

Лю К., Ван, З., Сонг, Х. и др.: Экспериментальное и численное исследование образования H ₂ / CO и их влияния на характеристики сгорания в двигателе SI, работающем на природном газе.Энергетика 143 , 597–605 (2018)

Google Scholar

76.

Szybist, J.P., Steeper, R.R., Splitter, D., et al .: Отрицательный клапан перекрывает химические процессы риформинга в средах с низким содержанием кислорода. SAE Int. J. Двигатели 7 (1), 418–433 (2014)

Google Scholar

77.

Wolk, B., Ekoto, I., Northrop, W.F., et al .: Детальный состав и характеристика реактивности продуктов риформинга в цилиндрах для конкретных видов топлива и связанное с этим влияние на характеристики двигателя.Топливо 185 , 348–361 (2016)

Google Scholar

78.

Цолакис А., Торбати Р., Мегаритис А. и др .: Работа двигателя с двухтопливным воспламенением от сжатия (CI) при низкой нагрузке с бортовой установкой риформинга и катализатором окисления дизельного топлива: влияние на характеристики двигателя и выбросы. Энергетическое топливо 24 (1), 302–308 (2010)

Google Scholar

79.

Асад, У., Чжэн, М .: Окисление EGR и каталитический риформинг топлива для дизельных двигателей. 48132, pp. 87–97 (2008)

80.

Гилл, С.С., Чата, Г.С., Цолакис, А.: Анализ реформированной системы рециркуляции отработавших газов на эффективность сажевого фильтра. Int. J. Hydrog. Энергетика 36 (16), 10089–10099 (2011)

Google Scholar

81.

Чанг, Ю., Шибист, Дж. П., Пиль, Дж. А. и др .: Каталитический рециркуляционный риформинг контура рециркуляции выхлопных газов для повышения эффективности стехиометрического двигателя с искровым зажиганием за счет термохимической рекуперации и увеличения предела разбавления, часть 2 : производительность двигателя.Энергетическое топливо 32 (2), 2257–2266 (2018)

Google Scholar

82.

Ян, Б., Си, К., Вей, X. и др .: Параметрическое исследование впрыска природного газа в порт и пилотного впрыска дизельного топлива на сгорание и выбросы двухтопливного двигателя с общей топливораспределительной рампой с турбонаддувом. при малой нагрузке. Прил. Энергетика 143 , 130–137 (2015)

Google Scholar

83.

Флореа, Р., Нили, Г.Д., Абидин, З. и др .: Характеристики эффективности и выбросов при двухтопливном сгорании с частичным предварительным смешиванием путем совместного прямого впрыска ПГ и дизельного топлива (DI2). Технический документ SAE 2016-01-0779

84.

Папагианнакис, Р.Г., Ракопулос, К.Д., Хунталас, Д.Т. и др .: Характеристики выбросов высокоскоростного двухтопливного двигателя с воспламенением от сжатия, работающего в широком диапазоне природных газов. / пропорции дизельного топлива. Топливо 89 (7), 1397–1406 (2010)

Google Scholar

85.

Коццолини А., Литтера Д., Рыскамп Р. и др.: Характеристики выбросов выхлопных газов от сверхмощного дизельного двигателя, модифицированного для работы в двухтопливном режиме метан / дизельное топливо. Технический документ SAE 2013-24-0181 (2013)

86.

Wagemakers, A.M.L.M., Leermakers, C.A.J .: Обзор влияния работы на двух видах топлива с использованием дизельного и газообразного топлива на выбросы и производительность. Технический документ SAE 2012-01-0869 (2012)

87.

Guerry, E.S., Raihan, M.S., Srinivasan, K.К. и др.: Влияние времени впрыска на низкотемпературное сгорание двухтопливного дизель-метана с частичной предварительной смесью. Прил. Энергетика 162 , 99–113 (2016)

Google Scholar

88.

Splitter, D., Reitz, R.D., Hanson, R .: Высокая эффективность, низкие выбросы RCCI сгорания за счет использования топливной присадки. SAE Int. J. Fuels Lubr. 3 (2), 742–756 (2010)

Google Scholar

89.

Хэнсон, Р., Карран, С., Вагнер, Р. и др.: Оптимизация поршневого стакана для сгорания RCCI в многоцилиндровом двигателе малой мощности. SAE Int. J. Двигатели 5 (2), 286–299 (2012)

Google Scholar

90.

Тан, Q., Лю, Х., Ли, М., и др .: Множественная оптическая диагностика влияния степени расслоения топлива на воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью. Топливо 202 , 688–698 (2017)

Google Scholar

91.

Лю, Х., Тан, Q., Ран, X., и др .: Оптическая диагностика воспламенения от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI) со стратегией микропрямого впрыска. Proc. Гореть. Inst. 37 (4), 4767–4775 (2019)

Google Scholar

92.

Золдак П., Собесяк А., Викман Д. и др.: Моделирование горения двухтопливного двигателя, работающего на КПГ, с использованием прямого впрыска природного газа и дизельного топлива. SAE Int. J. Двигатели 8 (2), 846–858 (2015)

Google Scholar

93.

Neely, GD, Florea, R., Miwa, J., et al .: Характеристики эффективности и выбросов при двухтопливном сгорании с частичным предварительным смешиванием путем совместного прямого впрыска ПГ и дизельного топлива (DI2): часть 2. Технический документ SAE 2017-01-0766 (2017)

94.

Ли, Г., Леннокс, Т., Гоуди, Д. и др .: Моделирование сгорания в тяжелых двигателях на природном газе HPDI. 47365, стр. 405–413 (2005)

95.

Мамфорд Д., Гоуди Д., Сондерс Дж .: Возможности и проблемы HPDI. Технический документ SAE 2017-01-1928 (2017)

96.

Мунши, С.Р., МакТаггарт-Коуэн, Г.П., Хуанг, Дж. И др .: Разработка стратегии сгорания с частичным предварительным смешиванием для высокоэффективного двигателя на природном газе с низким уровнем выбросов и прямым впрыском. 44427, стр. 515–528 (2011

97.

МакТаггарт-Коуэн, Г., Манн, К., Хуанг, Дж. И др.: Прямой впрыск природного газа под давлением до 600 бар в пилотном двигатель большой мощности с зажиганием. SAE Int. J. Двигатели 8 (3), 981–996 (2015)

Google Scholar

98.

Селим М.Ю., Радван М.С., Салех Х.Э .: Улучшение характеристик двухтопливных двигателей, работающих на природном газе / сжиженном нефтяном газе, за счет использования пилотного топлива, полученного из семян жожоба. Обновить. Энергетика 33 (6), 1173–1185 (2008)

Google Scholar

99.

Шумейкер, Н.Т., Гибсон, К.М., Полк, А.С. и др.: Рабочие характеристики и характеристики выбросов при сжигании метана и пропана, воспламеняемого биодизелем (B100), в четырехцилиндровом двигателе с турбонаддувом и воспламенением от сжатия.J. Eng. Газовые турбины Power 134 (8), 082803–082810 (2012)

Google Scholar

100.

Коракианитис Т., Намасиваям А.М., Крукс Р.Дж .: Дизельное топливо и метиловый эфир рапса (RME) для двухтопливного сжигания водорода и природного газа в двигателях с воспламенением от сжатия. Топливо 90 (7), 2384–2395 (2011)

Google Scholar

101.

Имран, С., Эмберсон, Д.Р., Диз, А. и др.: Характеристики двигателя с воспламенением от сжатия, работающего на природном газе, и карты выбросов с дизельным и пилотным топливом RME. Прил. Энергетика 124 , 354–365 (2014)

Google Scholar

102.

Сонг, Х., Лю, К., Ли, Ф. и др.: Сравнительное исследование использования дизельного топлива и PODEn в качестве пилотного топлива для двухтопливного сжигания природного газа. Топливо 188 , 418–426 (2017)

Google Scholar

103.

Nithyanandan, K., Gao, Y., Wu, H., et al .: Оптическое исследование множественного впрыска дизельного топлива при двухтопливном сгорании КПГ / дизельное топливо в легком оптическом дизельном двигателе. Технический документ SAE 2017-01-0755 (2017)

104.

Шринивасан К.К., Кришнан С.Р., Ци, Й. и др .: Анализ низкотемпературного горения природного газа с пилотным зажиганием в дизельном топливе с горячими выхлопными газами. рециркуляция. Гореть. Sci. Technol. 179 (9), 1737–1776 (2007)

Google Scholar

105.

Лю, Дж., Ян, Ф., Ван, Х. и др .: Влияние количества пилотного топлива на характеристики выбросов двухтопливного двигателя, работающего на сжатом природном газе / дизельном топливе, с оптимизированной синхронизацией пилотного впрыска. Прил. Энергетика 110 , 201–206 (2013)

Google Scholar

106.

Огава, Х., Чжао, П., Като, Т. и др .: Улучшение сгорания и выбросов в двухтопливном двигателе с воспламенением от сжатия с природным газом в качестве основного топлива. Технический документ SAE 2015-01-0863 (2015)

107.

Dronniou, N., Kashdan, J., Lecointe, B., et al .: Оптическое исследование двухтопливных стратегий сжигания КПГ / дизельного топлива для снижения выбросов CO ₂ . Технический документ SAE 2014-01-1313 (2014)

108.

Besch, MC, Israel, J., Thiruvengadam, A., et al .: Характеристики выбросов от двигателей большой мощности, работающих на различных технологиях, модернизированных для работы с двойным дизельным двигателем, работающим на природном газе. -топливный режим. SAE Int. J. Двигатели 8 (3), 1342–1358 (2015)

Google Scholar

109.

Xi, Y., Ottinger, N., Liu, Z.G .: Влияние условий восстановительной регенерации на реактивность и стабильность катализатора окисления на основе Pd для сжигания обедненного природного газа. Технический документ SAE 2016-01-1005 (2016)

110.

Джаяратне, Э.Р., Мейер, Н.К., Ристовски, З.Д. и др .: Критический анализ выбросов с высоким числом частиц от ускоряющихся автобусов на сжатом природном газе. Environ. Sci. Technol. 44 (10), 3724–3731 (2010)

Google Scholar

111.

Халек, И.А., Бадшах, Х., Премнат, В. и др.: Количество твердых частиц и выбросы золы из тяжелых двигателей, работающих на природном газе и дизельном топливе с SCRF. Технический документ SAE 2018-01-0362 (2018)

3 Авиационные газотурбинные двигатели | Исследование силовых установок и энергетических систем коммерческих самолетов: сокращение глобальных выбросов углерода

будущее. Кроме того, общий коэффициент давлений ² газовых турбин со временем увеличивался для повышения термодинамической эффективности.Однако в то же время размер компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины уменьшился, что усугубило проблемы меньшего размера.

По мере повышения эффективности самолетов и двигателей для полета требуется меньше мощности, поэтому объем двигателя и мощность, требуемые при неизменных характеристиках самолета, в будущем будут уменьшаться.

Возможность улучшения

С тех пор, как в конце 1940-х годов были построены первые авиационные газовые турбины, общий КПД — от расхода топлива до движущей силы — повысился примерно с 10 процентов до текущего значения, приближаясь к 40 процентам (см. Рисунок 3.2). Вероятно, что скорость улучшения этих двигателей может продолжаться примерно на 7 процентов в десятилетие в течение следующих нескольких десятилетий при условии достаточных инвестиций в технологии. Потенциал общего улучшения лучше всего рассматривать с точки зрения составляющих КПД: термодинамической эффективности двигателя и тягового КПД движителя.

Как отмечалось выше, неясно, насколько близко к теоретическим пределам может быть возможно создание газовой турбины для коммерческого самолета, учитывая важные ограничения авиации в отношении безопасности, веса, надежности и стоимости.Несколько авторов рассмотрели вопрос о практических пределах для газовых турбин простого цикла с учетом потенциала новых материалов, архитектур двигателей и технологий компонентов. Их оценки индивидуальных пределов термодинамического и пропульсивного КПД несколько различаются (и могут по-разному разделить потери между термодинамическим и пропульсивным КПД), но они согласны с тем, что улучшение общего КПД на 30-35 процентов по сравнению с лучшими двигателями сегодня может быть достигнуто.Как показано на рисунке 3.7, термодинамический КПД двигателя может составлять 65-70 процентов, а тяговый КПД — 90-95 процентов.

Газотурбинные двигатели нуждаются в значительном улучшении, при этом общий КПД повышается на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день. Улучшения будут происходить за счет множества относительно небольших шагов, а не одной прорывной технологии.

Некоторые исследования показывают, что улучшение характеристик турбомашин и снижение потерь на охлаждение может улучшить термодинамический КПД на 19 процентов и 6 процентов соответственно. ³ Такой значительный выигрыш не достигается простым внедрением новой технологии в существующие двигатели. Скорее, это требует оптимизации цикла с учетом конкретных уровней рабочих характеристик компонентов, температурных возможностей и охлаждения. Практические циклы с промежуточным охлаждением или рекуперацией могут повысить эффективность еще на 4. ⁴ Усовершенствованные вентиляторы и гребные винты также могут повысить эффективность тяги на 10 процентов. ⁵ Конечно, практические пределы эффективности тяги не могут быть рассмотрены только на уровне двигателя без ссылки на конфигурацию самолета и интеграцию силовой установки, как обсуждалось в главе 2.

Подводя итог, можно сказать, что авиационные газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для улучшения, с потенциалом повышения общего КПД на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день, с потенциалом улучшения пропульсивного КПД примерно в два раза выше термодинамического КПД. Этот уровень производительности потребует многих технологических улучшений и будет происходить в виде ряда относительно небольших приращений, несколько процентов или меньше, а не за счет одной прорывной технологии.В следующем разделе обсуждаются многие из этих технологий.

___________________

² Общий коэффициент давления — это отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе компрессора.

³ D.K. Холл, 2011 г., «Пределы производительности осевых ступеней турбомашин», М.С. диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс

⁴ Дж. Уурр, 2013 г., «Будущие архитектуры и технологии гражданских авиационных двигателей», представленный на 10-й Европейской конференции по турбомашинному оборудованию, http: // etc10.eu/mat/Whurr.pdf.

⁵ Д. Карлсон, 2009, «Возрождение двигателей: новые циклы, новые архитектуры и возможности для развития персонала», представленный на 19-й конференции ISABE Международного общества дыхательных двигателей, Монреаль, Канада.

Новый рядный 4-цилиндровый бензиновый двигатель объемом 2,5 литра с прямым впрыском

6 декабря 2016 г.

Новый рядный 4-цилиндровый бензиновый двигатель 2,5 л с прямым впрыском

Особенность

Toyota назвала свою новую линейку силовых установок внутреннего сгорания «Dynamic Force Engines».Чтобы в полной мере раскрыть потенциал новых двигателей, их базовая конструкция была полностью переосмыслена с использованием TNGA, а их общая структура и конфигурация были полностью обновлены для достижения высоких ездовых и экологических характеристик. Работа над новыми двигателями будет продолжена.

Достигает одного из лучших в мире уровней мощности и теплового КПД

^*

В новых двигателях используется технология высокоскоростного сгорания и регулируемая система управления.Они также достигают более высокого теплового КПД, что приводит к высокой производительности за счет снижения потерь энергии, связанных, в частности, с выхлопными системами и системами охлаждения, а также движением механических частей. Их модельный ряд включает 2,5-литровый двигатель с одним из лучших в мире тепловых КПД ^* ± 40 процентов при использовании в автомобилях с бензиновым двигателем и 41 процент при использовании в гибридных автомобилях (HV). Этот новый, тщательно пересмотренный и значительно усовершенствованный двигатель оснащен множеством новых технологий, таких как технологии для точного управления, которые делают его очень отзывчивым и позволяют генерировать достаточный крутящий момент на всех скоростях.

По состоянию на ноябрь 2016 г., согласно опросу Toyota

Максимальный тепловой КПД

40% (обычный двигатель)
41% (двигатель HV)

Удельная мощность

60 кВт / л

Ключевые технологии / производительность

Низкий расход топлива (высокая тепловая эффективность)

Высокая производительность

Высокий отклик

Технические характеристики двигателя

	Новый двигатель	Новый двигатель для HV
Рабочий объем (куб. См)	2,487	2,487
Диаметр x ход поршня (мм)	Φ87.5×103,4	Φ87,5×103,4
Степень сжатия	13	14
Система впрыска	Д-4С	Д-4С
Макс. Мощность (кВт / об / мин)	151/6600	130/5700
Макс.Крутящий момент (Нм / об / мин)	250/4800	220 / 3600-5200
Контроль выбросов	LEVⅢ (SULEV30)	LEVⅢ (SULEV30)

Детали новых технологий

Технология высокоскоростного сгорания Первый в мире

Как усиленный поток в барабане, так и увеличенный объем всасываемого воздуха достигаются за счет изменения конструкции более длинного хода (ход / отверстие ≒ 1.2), увеличивая угол наклона клапана и высокоэффективное впускное отверстие с седлом клапана, покрытым лазером. Благодаря этим технологиям достигается высокая скорость горения.

Инжектор прямого действия с несколькими отверстиями

Улучшенный поток и высокая производительность форсунки улучшили топливно-воздушную смесь, благодаря чему достигается высокая скорость сгорания.

Масляный насос непрерывного действия с переменной производительностью — тип Trochoid — первый в мире

Контролируя расход масла при любых условиях работы двигателя, уменьшается дополнительная работа, что затем способствует снижению потерь на трение в двигателе.

Сначала изменяют давление масла в камере управления, перемещая кольцо регулировки давления масла и внешний ротор относительно внутреннего ротора, а затем заставляя расход масла непрерывно изменяться.