Кпд двс бензин: КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя – что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

• Вид топлива.
• Способ образования топливно-воздушной смеси.
• Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

Каков КПД у двигателя внутреннего сгорания

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то  у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

 

 

КПД двигателя внутреннего сгорания

 

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

 

Где теряется эффективность

 

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

 

• Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
• Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
• Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

 

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

 

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

 

Дизель или бензин

 

А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.

 

Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.

 

КПД электрического двигателя двигателя

Другие записи по теме:

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

Известно, что эффективность работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания находится в прямой зависимости от величины коэффициента полезного действия. КПД двигателя выражается в виде соотношения мощностей, передаваемых на коленвал и поршни. Современные ДВС отличаются наибольшей эффективность, в сравнении с устаревшими аналогами. Например, мотор объемом 1,6 л., раньше развивал мощность не более 70 лошадиных сил, а теперь этот параметр часто достигает 150 л. с.

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

• КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
• дизельного – 40 %;
• с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
2. Расходе тепла.
3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.

КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.

Интересно: Существуют некоторые методы повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания:

1. Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
2. Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
3. Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

• замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
• в то время, как дизельные – 40% соответственно;
• при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

1. Более высокий показатель степени сжатия.
2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
3. Корпусные детали нагреваются меньше.
4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

КПД двигателя внутреннего сгорания — обзорная статья

Коэффициент полезного действия (КПД) – широко используемая характеристика эффективности некоторой системы или устройства. В нашем случае этой системой выступает двигатель внутреннего сгорания. Казалось бы, о какой эффективности может идти речь в мире современных моторов, разве она не равна 100 процентам? Но оказывается, как нет в нашем мире идеально черного или белого, так нет и машины, у которой вся энергия, получаемая от горения топлива, полностью переходит в механическую энергию, а последняя в свою очередь в полезную энергию прижимающую пилота автомобиля в его кресло.

Что такое КПД двигателя внутреннего сгорания

Отношение полезной энергии к полной (затраченной), выраженное в процентном отношении, и есть искомый КПД двигателя внутреннего сгорания. Разберемся, куда же теряется энергия.

На что тратиться полезная энергия?

Первый пункт здесь – это потери, возникающие непосредственно при горении топлива, ведь все топливо в двигателе никогда не сгорает, часть его улетает в выхлопную трубу. Эта часть, в среднем, составляет около 25%.

Следующим местом (точнее явлением), куда исчезает энергия, является тепло, выделяемое при горении. Возможно, кто-то из вас еще помнит со времен, проведенных на школьной скамье, что для получения тепла требуется энергия, соответственно, образуемое тепло – это есть потери энергии. Здесь стоит заметить, что тепла при работе двигателя внутреннего сгорания образуется с излишком, что требует внедрения серьезной системы охлаждения.

Далее, кроме тепла, выделяемого от горения, тепло выделяется и при самой работе двигателя, ведь все его части трутся, теряя тем самым часть своей энергии.

Подведя итог, получаем еще порядка 35-40% потерь энергии на образование тепла.

Ну, и третья группа потерь – это потери на обслуживание дополнительного оборудования. Помпа системы охлаждения, генератор, кондиционер и пр. – все они для своей работы тоже потребляют энергию. Энергия эта берется от работы двигателя – в размере порядка 10%.

Подведя итог, получаем, что, сжигая топливо, в реальности на «полезное» дело автомобиль затрачивает лишь четверть, а порой и вовсе пятую часть той энергии, которую вырабатывает его движок. Цифры средние, но разбежка в целом понятна.

КПД бензинового и дизельного двигателя

При этом стоит оговориться, что у бензиновых и дизельных машин КПД двигателя внутреннего сгорания различен: 20% против 40% (соответственно). Данный факт имеет место быть потому, что несмотря на то, что потери на обслуживание механики и нагрев планеты в бензиновых моторах и «дизелях» сопоставимы, количество сжигаемого в процессе горения топлива у дизельных двигателей выше.

Подводя итоги и вспомнив историю появления двигателя внутреннего сгорания, когда КПД составлял немногим более 5%, можно сказать, что инженеры шагнули далеко вперед, а учитывая факт того, что 100% КПД, а по сути идеального двигателя, им вряд ли удастся добиться, можно утверждать, что современные двигатели, скорее всего, достигли своего верха возможного КПД, поэтому неудивительно, что сегодня все чаще автомобилистам предлагаются машины с гибридными двигателями и электромобили, ведь КПД движка у них (электромобилей) – для справки – порядка 90%.

КПД ДВС Видео

Рекомендую прочитать:

Как повысить кпд двигателя внутреннего сгорания

10 марта 2019      Двигатель и КПП

 Повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) интересует многих автолюбителей. Дело в том, что какую бы машину Вы не купили, всегда хочется иметь более мощный двигатель и ездить быстрее.

Как ни странно, но эти мечты осуществимы. Мощность двигателя можно увеличить. Кроме того можно изменить расход топлива и экологический класс вашего автомобиля.

Но начнём с простого. У бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для воспламенения топливно-воздушной смеси используется свеча зажигания. У дизельного двигателя применяется форсунка.

Чтобы они более эффективно работали, обеспечивая хорошее воспламенение смеси, необходимо подавать на них высокую энергию.

Для дизельной форсунки важна не только конструкция (а конструктив важен и для свечи зажигания), но и давление питающего ее насоса. Для свечи бензинового ДВС важно напряжение, коммутируемое на первичную обмотку катушки зажигания. Поэтому насосы с повышенным давлением для дизельных форсунок и системы тиристорного зажигания для свечного поджига бензиновых моторов, повышают КПД и мощность двигателя.

ПОВЫШЕНИЕ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Если так просто повысить КПД двигателя, то почему этим не пользуются авто производители? Пользуются! Но только для коммерческих грузовиков и генераторов. Ведь у них КПД превышает 80%, при 60% у обычных. Стоя рядом с работающим грузовым автомобилем Volvo или Iveco, ощущается запах озона, а не дизельной гари. То же и с дизельными генераторами ведущих фирм.

Что касается автомобилей некоммерческих, тут есть две причины – обе, правда, коммерческие.

Первое – это очевидный корпоративный сговор о том, что легковой автомобиль не должен быть слишком экономичным. Ведь нефть нужно продавать. И если применяются технологии, снижающие расход топлива, то конечный потребитель сильно переплачивает за них в соответствии с ценой автомобиля.

Второе – это усложнение конструкции, которое также отражается на стоимости автомобиля, а последняя – на конкурентных качествах. Апологетами можно назвать Ford Mondeo (класс “C”) и Ford Ka (класс “A”), которые ухитрялись расходовать одинаковое количество бензина – 8 литров на 100 километров пробега. Как говорится, “почувствуйте разницу”. На “хитрые решения” наподобие повышения давления на насосе впрыска или тиристорного зажигания фирмы не идут по совокупности описанных двух факторов.

Итак, переходим к самому интересному: полезные хитрости. Естественно, что их применение требует дополнительных мер безопасности! Все должно делаться “правильными” руками, иначе возрастает риск возгорания автомобиля.

КАК ПОВЫСИТЬ КПД ДВИГАТЕЛЯ

Подгонка ТНВД- топливного насоса высокого давления. Он есть даже в системах с электронным управлением впрыска. С помощью установки нагнетающего насоса от бензиновой системы впрыска стоимостью около $100 можно получить до 10-16 Бар на входе в насос высокого давления.

Для профилактики преждевременного износа шестерен и плунжеров этого дорогостоящего агрегата стоит поставить насос подкачки с генератором тока. Обычная 20 Вт лампочка соединенная последовательно с мотором насоса дает ограничение давления на выходе 1 Бар. Это предотвращает сухое трение в вакуумных пузырях топлива при засорении топливного фильтра грязью или парафином.
Такая хитрость позволяет продлить срок жизни ТНВД, в особенности – там, где холодные зимы. Дело в том, что моторчик подкачки еще и подогревает солярку.

Существуют некоторые опасности при неправильной настройке. Это прорыв магистрали от насоса к входному фильтру ТНВД, так как рассчитана она на вакуумирование, а не на высокое давление. Соединения могут пропускать, а то и рассоединяться.

Кстати, наибольшее количество “убитых” ТНВД и плохого запуска дизельного двигателя, как раз и приходится на “подсос” воздуха во всасывающей магистрали топлива. А это даже в напорных трубопроводах при фланцевых соединениях имеет место быть (форвакуумный, или инжекторный эффект).

ЗАЖИГАНИЕ

По тиристорному зажиганию пишут много неправды про то, что искра сильнее, но короче. Это не так. Если на первичную обмотку катушки зажигания подаётся 300 вольт вместо 15, то вполне естественно, что при том же токе потребления в 5 ампер то же количество энергии будет израсходовано примерно за 1/20. На самом деле – около 1/10-1/5, в зависимости от конструкции LC контура и величины зазора.

Но никто же не ограничивает в мощности накачки в разумных пределах! И 15, и даже 30 ампер большинство электро систем автомобиля выдерживают: при 80 амперных генераторах можно себе позволить. Свечи, конечно, будут изнашиваться быстрее, но обычная толсто электродная свеча будет жить как высокотехнологичная.
Кстати, на двух электродных катушках зажигания она работает всего 5000 километров при условии смены полярности – электрод распыляется на одном полюсе катушки. И в качестве бонуса – 30% экономии топлива!

Почему важна продолжительная искра? Что происходит, если укоротить искру? Машина попросту не едет: сняли конденсатор с катушки зажигания, и мотор “не тянет”. Заводится, крутится вхолостую, а тяги нету даже чтобы тронуться. В цилиндрах происходит эффект вакуумной бомбы: один импульс поджигает небольшой шарик объема топлива, а дальше идёт процесс горения, а не фронтового воспламенения… “Бомба маленькая была”.

После ее подрыва вернувшаяся назад волна с уплотненным фронтом (эффект укладывания обломков в кучку на месте взрыва) не встречает дружественно поджигающей искры. Этот вариант аналогичен тому, когда дизельная форсунка не распыляет топливо. Крупные капли плохо горят.

ТЕРИСТОРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Поэтому было придумано много искровое тиристорное зажигание. В нем количество искр определяется количеством периодов накачивающего генератора в отведенный промежуток времени для поджига. Подбирать нужно к конструкции системы зажигания, объему цилиндра и конструкции поршня.

У BMW – купольные поршни, что является наилучшим вариантом. Отсюда и любовь владельцев “москвичей” к тиристорным системам зажигания. О обратный фронт очень быстро возвращается, и искра может быть короткой. Это – один из факторов “вечной жизни” свечей в старых моторах BMW.

Относительно обычного транзисторного зажигания, система получается намного сложнее и опаснее. Мало того, что такая искра способна ударить током, так и 300 вольт, подаваемые на первичную обмотку катушки зажигания, способны убить горе-специалиста автосервиса (а там, похоже, только такие остались).

Тем не менее, система зажиганию Common Rail по цене намного дороже и конструктивно сложнее. Вдобавок, эта система как правило сильно изнашивает поршневую. Но зато, это в духе современной коммерции: платите в кассы! А мы за это продадим вам призрачное преимущество – большую мощность двигателя при том же объеме. Неужели просто объем больше нельзя поставить, загнав его в нужный режим по крутящему моменту компьютером, как у BMW?

Чип тюнинг двигателя

Кроме того, что мы Вам рассказали, есть и самый простой способ повысить КПД двигателя. Увеличить мощность мотора любого автомобиля можно не только на бензиновом но и дизельном силовом агрегате. С этой целью используется Чип Тюнинг двигателя.

В обычном бензиновом двигателе, без турбо наддува, чип тюнингом можно добиться большего нагнетания горючей смеси в цилиндры. Изменить режимы работы различных систем. Можно экспериментировать с установкой более высоких углов опережения системы зажигания. Менять показатель ограничения количества оборотов и многое другое.

У турбированных моторах можно изменять максимальное давление и настройку момента запуска турбо наддува.

Чип тюнинг увеличивает мощность и крутящий момент бензинового атмосферного двигателя на 5–10 %. Это относится и к атмосферным дизельным моторам. Стоит заметить, что чип тюнинг турбированного дизельного двигателя позволяет увеличить его мощность на 20–25 %. Кроме того крутящий момент увеличивается до 30%.

Facebook

Twitter

Вконтакте

Google+

Какой КПД дизельного двигателя? Дизельный и бензиновый двигатель

КПД дизельного двигателя представляет собой отношение мощности, которая подается на коленчатый вал, к мощности, получаемой поршнем благодаря давлению газов, образующихся при воспламенении используемого топлива.

То есть эта величина является той энергией, которая преобразовывается из тепловой или термической энергии в механическую величину.

Бензиновые двигатели обладают принудительным зажиганием воздушно-топливной смеси искрой свечи.

Типы систем питания

Карбюраторный вариант предполагает смешивание воздуха и бензина во впускном трубопроводе карбюратора. В последнее время выпуск таких вариантов двигателей существенно снижается из-за несущественной экономичности подобных двигателей, их несоответствия экологическим нормам современности.

В вариантах впрысковых двигателей подача топлива происходит с помощью одного инжектора (форсунки) в центральный трубопровод.

В случае распределительного впрыска топливо попадает внутрь двигателя несколькими инжекторами. В таком случае увеличивается максимальная мощность, что существенно увеличивает КПД дизельного двигателя.

При этом снижаются расходы бензина и токсичность обработанных газов за счет фиксированной дозировки топлива электронными системами управления автомобильным двигателем.

Рассуждая над тем, каков КПД современного дизельного двигателя, необходимо знать о системе впрыска бензиновой смеси в камеру хранения. Если подача топлива осуществляется порциями, это гарантирует работу двигателя на обедненных смесях, что помогает снижать расход топлива, уменьшать выброс в атмосферу вредных газов.

Особенности дизельных двигателей

КПД бензинового и дизельного двигателя существенно отличаются между собой. Дизели являются теми двигателями, в которых после сжатия нагретая топливно-воздушная смесь воспламеняется. Они намного экономичнее бензиновых аналогов из-за большей степени сжатия, способствующей полному сгоранию воздушно-топливной смеси.

Достоинства дизелей

КПД дизельного двигателя можно увеличить при создании сопротивления движения воздуха из-за отсутствия дроссельной заслонки, но это приводит к повышению расхода топлива.

Наибольший крутящий момент развивают дизели на небольшой частоте вращения коленчатого вала.

Устаревшие конструкции дизельных двигателей от бензиновых аналогов отличаются определенными недостатками:

• большим весом и ценой при равной мощности;
• повышенным шумом, создаваемым при сгорании топлива в цилиндрах;
• меньшими оборотами коленчатого вала, повышенными инерциальными нагрузками.

Принцип деятельности

КПД современного дизельного двигателя определяется отношением полезной работы, совершаемой двигателем, к полной работе. Почти у всех автомобильных двигателей предполагается четыре такта:

• впуск топливно-воздушной смеси;
• сжатие;
• рабочий ход;
• выпуск отработанных газов.

Эффективность дизельного двигателя

КПД дизельного двигателя в процентах составляет порядка 35-40 процентов. Учитывая, что для бензинового агрегата показатель составляет до 25 %, дизель явно лидирует.

Если воспользоваться турбонаддувом, вполне модно увеличить КПД дизельного двигателя до 53 процентов.

Несмотря на сходство типа работы, дизель справляется с поставленной перед ним задачей намного качественнее и результативнее. Так как у него меньшее сжатие, воспламенение топлива происходит по другому принципу. Он будет меньше нагреваться, в результате чего на охлаждении происходит неплохая экономия. В дизеле нет свечей и катушек зажигания, следовательно, нет необходимости тратить дополнительную энергию генератора.

Для повышения эффективности работы бензинового двигателя добавляют пару выпускных и впускных клапанов, а на каждую свечу устанавливают отдельную катушку зажигания. Для управления дроссельной заслонкой используется электрический привод.

Эффективность топлива

Расчет КПД дизельного двигателя позволяет определить целесообразность его применения.

Дизель считается одним из вариантов двигателя внутреннего сгорания, для которого характерно после сжатия воспламенение рабочей смеси.

Для того чтобы выявить суть функционирования бензинового двигателя, и то, какой КПД дизельного двигателя, проводят математические расчеты.

Потери КПД

Сгорает не все топливо, некоторая его часть теряется вместе с выхлопными газами (теряется до 25 процентов КПД). В процессе функционирования двигатель тратит часть энергии на корпус, радиаторы, жидкость. Это приводит к дополнительной потере КПД. На все места, где существует трение: кольца, шатуны, поршни, потребляется дополнительная энергия, что негативно отражается на коэффициенте полезного действия.

Вариант определения

В технической документации можно найти информацию о мощности двигателя внутреннего сгорания. После заливки в него топлива и работы на максимальных оборотах в течение нескольких минут остатки топлива сливают. Вычтя из начального объема конечный результат, вооружившись плотностью, можно посчитать массу топливной смеси.

В настоящее время максимальной эффективностью обладает электрический силовой агрегат. Его КПД может достигать 95%, что является превосходным результатом. Если первые моторы при объеме двигателя 1,6 литра развивали не больше 70 лошадиных сил, то в наши дни этот показатель доходит до 150 лошадиных сил.

КПД – величина отношения мощности, подаваемой на коленчатый вал двигателя, к величине, получаемой от сгорания газовой смеси поршнем. В зависимости от того, какое топливо используется для работы автомобильного двигателя, КПД может варьироваться в диапазоне от 20 до 85 процентов. Безусловно, производители топливных систем ищут способы их улучшения, позволяющие существенно увеличить итоговую величину двигателя внутреннего сгорания.

Для снижения механических потерь от нагрузки генератора, трения в настоящее время в промышленности используют смазки. Но, несмотря на подобные достижения, полностью справиться с силой трения пока еще не удалось никому.

Даже после усовершенствований бензинового двигателя удалось добиться изменения у него коэффициента полезного действия до 20 процентов, только в некоторых случаях удается повышать КПД до 25 %.

Более высокий показатель коэффициента полезного действия свидетельствует о топливной эффективности. К примеру, при объеме дизельного двигателя 1,6 литра в городском цикле расход топлива составляет не более 5 литров. У бензинового аналога эта величина достигает 12 л. Сам дизельный агрегат гораздо легче и компактнее, к тому же считается более экологичным вариантом, чем бензиновый двигатель.

Эти положительные технические характеристики гарантируют дизелям более продолжительный эксплуатационный срок службы.

Заключение

Помимо многочисленных плюсов, есть у него и несколько недостатков, о которых также следует упомянуть. КПД двигателя внутреннего сгорания гораздо меньше 100 процентов, к тому же агрегат не выдерживает резкого понижения температуры воздуха.

Коэффициент полезного действия представляет собой величину, которая в процентном соотношении демонстрирует результативность функционирования механизма относительно преобразования тепловой энергии в полезную работу. ДВС осуществляет подобную деятельность, осуществляя преобразование тепловой энергии. Высвобождается она в результате сгорания в цилиндрах топливной смеси. КПД дизельного мотора является фактически совершенной механической работой, состоящей из отношения энергии, полученной от сгорания топлива, и мощности, отдаваемой установкой на коленчатом валу двигателя.

Эффективность работы современного дизельного агрегата определяется множеством различных факторов. В первую очередь, необходимо отметить тепловые и механические потери, возникающие в ходе работы двигателя такого типа. Кроме того, свою долю вносит в разнообразные потери и сила трения, которая появляется при тесном соприкосновении этих многочисленных деталей.

Основная часть расходуемой полезной энергии приходится на приведение в движение поршня, вращение внутри мотора различных деталей. Более 60 процентов сгорающего топлива требуется для обеспечения работы всех узлов автомобильного двигателя. При дополнительных потерях появляются существенные проблемы с дееспособностью навесного оборудования, разнообразных систем, механизмов.

Благодаря модернизации системы впрыска удалось внести позитивные изменения в значение коэффициента полезного действия, минимизировать потери.

Двигатель ESTEC с самым высоким в мире тепловым КПД

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

Тепловые двигатели

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (Ис­точ­ник), (Ис­точ­ник)

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

• На­гре­ва­тель
• Ра­бо­чее тело
• Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля (Ис­точ­ник)

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Базовые компоненты ESTEC

Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.

В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.

Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.

Восстановление производительности

Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.

При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.

Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.

Цикл Аткинсона

Цикл Аткинсона

В двигателе, работающем по циклу Аткинсона, на такте впуска впускной клапан закрывается не вблизи НМТ, а значительно позже. Это дает целый ряд преимуществ.

Во-первых, снижаются насосные потери, т. к. часть смеси, когда поршень прошел НМТ и начал движение вверх, выталкивается назад во впускной коллектор (и используется затем в другом цилиндре), что снижает в нем разрежение. Горючая смесь, выталкиваемая из цилиндра, также уносит с собой часть тепла с его стенок.

Так как длительность такта сжатия по отношению к такту рабочего хода уменьшается, то двигатель работает, по так называемому, циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработанных газов используется более длительное время, т. е., с уменьшением потерь выпуска. Таким образом,получаем лучшие экологические показатели, экономичность и больший КПД, но меньшую мощность.

КПД дизельного двигателя заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

• Вид топлива.
• Способ образования топливно-воздушной смеси.
• Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

10. ЦИКЛ КАРНО. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Впервые наиболее совершенный циклический процесс был предложен французским физиком
и инженером Сади Карно в 1824 г.
Карно прожил короткую жизнь – всего 36 лет, но оставил в науке яркий след и пример плодотворного взаимного влияния науки и техники. В своем труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» Сади Карно заложил основы теории тепловых машин.

Рассмотрим цикл Карно подробнее. Пусть газ, занимающий
объем V₁ и имеющий температуру Т₁ (температура нагревателя),
приводится в тепловой контакт с нагревателем и получает
возможность изотермически расширяться и совершать работу.
Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество
теплоты Q₁. Этот процесс представлен на рис. 4.14а изотермой ab..

Далее газ должен быть сжат, но, как уже было отмечено, при более низкой температуре, то есть изотерма сжатия должна быть ниже изотермы расширения. Только в этом случае работа расширения будет больше работы сжатия. Но мы помним, что газ не следует охлаждать соприкосновением с более холодным телом, чтобы исключить теплопередачу без совершения работы.

Сади Карно писал: «В телах, употребляемых для развития движущей силы тепла, не должно быть ни
одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема». Другими словами,
температура рабочего тела не должна изменяться без совершения работы. Значит, остается
единственная возможность – охлаждать газ, предоставив ему возможность адиабатически
расширяться. Поэтому изотермический процесс расширения не доводят до конца хода поршня
в цилиндре. Когда объем газа становится равным ,
дно цилиндра изолируют от нагревателя; после этого газ адиабатно расширяется
до объема , соответствующего максимальному ходу
поршня в цилиндре (рис. 4.14б, кривая bc). При этом газ охлаждается до
температуры Т₂. Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при
температуре Т₂. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту
же температуру Т₂ (холодильник), и сжимать газ внешней силой. Однако в этом
процессе газ никогда не вернется в начальное состояние – температура
его Т₂ будет все время ниже Т₁. Поэтому изотермическое
сжатие доводят до некоторого промежуточного объема (рис. 4.14в, кривая cd).
В процессе изотермического сжатия газ отдает холодильнику некоторое количество
теплоты Q₂, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ
подвергают адиабатическому сжатию, в ходе которого его температура повышается
до значения Т₁ (рис. 4.14г, кривая da). После завершения цикла
газ вернулся в первоначальное состояние
(объем V₁, температура Т₁) и цикл можно повторить.

Итак, на участке abc газ совершает работу (A > 0), а на участке cda
работа совершается над газом (A bc и da работа
совершается только за счет изменения внутренней энергии газа.
Так как , то и .
Таким образом, полная работа за цикл определяется разностью работ на
участках ab и cd. Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой
цикла abcda.

На участке ab газ получает от нагревателя количество
теплоты Q₁, а на участке cd он непременно должен отдать холодильнику
теплоту Q₂, следовательно, в полезную работу преобразуется только часть
полученной газом теплоты, равная Q₁ – Q₂, и к.п.д. цикла равен:

Как показал С. Карно, к.п.д. предложенного им цикла может быть выражен через температуры
нагревателя Т₁ и холодильника Т₂. Он оказывается равным

Вместе с тем рассмотрение идеального цикла Карно имеет большое значение, поскольку указывает пути повышения к.п.д. тепловых двигателей. Из формулы (4.41) видно, что к.п.д. двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.

В современных двигателях к.п.д. обычно увеличивают за счет повышения температуры нагревателя.
В мощных паровых турбинах в настоящее время используется пар, температура которого
достигает 600º С. В газовых турбинах температура газа достигает 900º С. Дальнейшее
повышение температуры нагревателя ограничивается жаростойкостью используемых материалов.

Это интересно

У какого двигателя самый большой КПД

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД бензинового и дизельного агрегатов – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал —  все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

Далее предоставляю Вашему вниманию калькулятор КПД WOT

дабы Вы могли иметь представление о том к какой категории относитесь Вы:

И тут рождается логичный вопрос, а по какой статистике лучше ориентироваться?! К сожалению, на этот вопрос у меня нет ответа, тут как говорится, на вкус и цвет товарищей нет. Выбирать именно Вам!
Но далее, в двух словах я расскажу Вам о той статистике, которая используется на сайте XVM мода, а именно:

WGR

WN8

WN6

EFF

xTE

Начнем по порядку:

WGR — это официальный рейтинг от Wargaming, четырехзначный рейтинг.

Наверное самый сложный в плане прокачки статистики. Тут наибольшее влияние на результат КПД оказывают:

Средний урон за бой

Средний урон за счет засвета по рации

Средний урон за счет удержания на гусле (не важно, Вы ли наносите урон или союзники)

————————

wn8 — рейтинг WN8 более расширенная статистика игрока (эталонная статистика), в исходном виде — четырехзначный.

Наибольшее влияние на результат оказывают:

Суммарный нанесенный урон игрока

Суммарное количество уничтоженных

Тут необходимо отметить, что эта статистика сильно зависит от машины, на которой вы играете, т.к в эталонной статистике используются для расчетов показания эталона. Грубо говоря эталон урона ни ИСУ-152 будет 700. Так вот, если вы играете на этой ПТ-САУ, то Вы должны с выстрела выбивать эти самые 700 урона, выцеливая уязвимые места противника или пробивая в бок и корму. Другими словами, чем ближе Ваш урон к эталонному, тем выше Ваша статистика.
(Примечание: цифра 700 взята «с потолка»…)

————————

wn6 — четырёхзначный КПД, взятый из за «бугра» и разработанный американскими игроками. Тут придется сильно попотеть, чтоб повысить данный КПД. Формула wn6 очень большая и сложная, но мы договорились что я Вас не буду «грузить» формулами, по этому передам основные моменты. Здесь нужно запомнить главное:

очки защиты базы не сильно влияют на КПД;

Первый засвет противника так же практически не оказывает влияния на КПД;

Захват базы вообще не учитывается;

Уничтожение танков низкого уровня оказывает меньшее влияние на рейтинг так что выбираете танк побольше Вас на пару уровней и кусаете;

Получается, что WN6 полностью зависит от Вашего вклада в бой

И особое внимание уделяется суммарному нанесенному урону игрока и суммарному количеству уничтоженных танков (при этом учитывается прочности врага, которого вы уничтожили)

Чтобы повысить этот рейтинг, я бы советовал Вам наносить побольше урона и «выносить» побольше техники противника. А это могут не все танки в игре. Например САУ, ПТ-САУ (топовые и предтоповые, а так же французские барабанные танки). Именно у них самый высокий показатель урона в минуту. Самым минимальным уроном за бой для Вас должны стать цифры выше 1500-2000.

————————

EFF — это старый добрый Рейтинг Эффективности, он же РЭ.

Для тех кто недавно «в танке», тут наибольшее влияние на результат оказывают:

Средний урон за бой;

Среднее количество фрагов (убитых противников) за бой;

Среднее количество очков защиты базы за бой;

Т.е. другими словами чтобы поднять этот КПД Вам необходимо демажить, убивать, еще и успевать на защиту собственной базы! Дерзайте

————————

xTE — это рейтинг, оценивающий Ваше умение играть на конкретном танке по сравнению со всеми другими игроками именно на этом танке.

Тут так эе как и в РЭ, основным будет:

Средний урон за бой;

Среднее количество фрагов за бой;

КПД WOT

Что такое КПД

Дословно аббревиатура КПД обозначает коэффициент полезного действия. Иными словами этот показатель обозначает, насколько игрок может быть полезен своей команде, а также насколько хороши его умения в бою.

Подсчет КПД производится на основе статистических данных. При подсчете КПД учитывает количество побед и поражений, захваты вражеской базы и сбивания захвата союзной базы, обнаружение и уничтожение противников. Кроме этого, на уровень КПД влияет техника игрока. На технике высокого уровня проще повысить этот показатель.

Для чего нужен КПД?

Также новички задумываются над тем, для чего нужен КПД World of Tanks. Все очень просто. Существует два объяснения

Главное из них заключается в том, что поскольку КПД отображает умения и навыки в бою, то на него обращают обязательно внимание при взятии в клан. Трудно попасть в хороший клан, если этот показатель на низком уровне

Помимо этого, КПД придает многим игрокам дополнительный стимул. Ведь хочется быть лучшим среди других. Как результат, игрок стремится улучшить свою статистику и КПД. Повышение этого показателя тешить самолюбие любого геймера.

Как узнать свой КПД?

В игре КПД можно посмотреть как личный рейтинг. Но бывалые игроки утверждают, что подсчет коэффициента полезного действия внутри игры производится по несправедливому алгоритму, в результате чего лавры не всегда достаются победителям. Это значит, что игрок может хорошо показать себя в бою, но при этом совсем незначительно увеличить свой КПД.

Чтобы узнать, насколько игрок действительно полезен своей команде, и какими умениями обладает, КПД смотрят на специальных онлайн ресурсах. Для проверки личного показателя достаточно вести свой никнейм и нажать кнопку «Определить» или «Загрузить данные». Самыми популярными сайтами, на которых можно посмотреть КПД в World of Tanks, являются:

• wot-news.com;
• wot-game.com;
• wot-noobs.ru.

На помощь приходит «Оленеметр»

Непосредственно в игре КПД игроков помогает определить «Оленеметр». Это специальный мод, что устанавливается в игру. Свое название он получил за то, что помогает определить опытность противника и обнаружить «оленей», то есть неопытных игроков.

Мод подсвечивает всех игроков определенным цветом в зависимости от статистики и умений. Красные игроки совсем не умеют играть, оранжевые немного лучше первых. Средними считаются геймеры с желтым цветом, а хорошие – с зеленым. Умельцы высокого класса подсвечиваются синим цветом, а уникальные игроки – фиолетовым.

Но «Оленеметр» часто ошибается, поэтому при виде команды противника, в которой большинство игроков подсвечивается красным цветом, не стоит расслабляться, так как в этом случае очень высок риск поражения. Кстати, если вы соскучились по добротным онлайновым играм, то обязательно зайдите сюда, на данном сайте вы найдете массу интересных виртуальных развлечений. Порой стоит отвлечся от «танков».

Как повысить КПД в World of Tanks?

После того как найден ответ на вопрос «Что такое КПД в Мире Танков?», многие игроки задумываются, как повысить это важный показатель. Стратегия здесь очень проста: нужно набирать очки захвата, сбивать захват противника, уничтожать врагов и всячески помогать своей команде и союзникам, но при этом оставаться живым до конца боя. Кроме этого, для улучшения КПД стоит выбрать технику не ниже 8 уровня, а лучше даже выше.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

КПД двигателя что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Эффективность преобразования топлива — x-engineer.org

Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс выделяет тепла , которое частично преобразуется в механической энергии .

Рассмотрим двигатель внутреннего сгорания как систему с определенной границей. В исходном состоянии двигатель будет содержать около реагентов , в основном топливо и воздух.После процесса сгорания двигатель будет в конечном состоянии, содержащем продуктов сгорания (выхлопные газы).

Изображение: Схема процесса горения

Применение первого закона термодинамики к нашей системе двигателя между начальным и конечным состояниями дает:

\ [Q_ {RP} — W_ {RP} = U_P — U_R \ tag { 1} \]

где:

Q [Дж] — теплопередача
Вт [Дж] — механическая работа
U [Дж] — внутренняя энергия
Т [K] — температура
p [Па] — давление
В [м ³ ] — объем

Эффективность сгорания

В реальных двигателях процесс сгорания является неполным .Это означает, что не вся энергия топлива, подаваемого в двигатель, высвобождается в процессе сгорания. Есть несколько факторов, которые могут влиять на процесс сгорания, наиболее важными из которых являются воздухозаборник и распыление топлива (размер капель).

Для горения топлива внутри цилиндра требуется воздух (кислород). Если кислорода недостаточно, то сгорает не все топливо, поэтому при сгорании выделяется только часть энергии (например, около 96%).

Если мы проанализируем выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания, мы увидим, что он содержит как продуктов неполного сгорания (монооксид углерода CO, оксиды азота NO _x , несгоревшие углеводороды HC, сажа PM), так и продуктов полного сгорания. (диоксид углерода CO ₂ и вода H ₂ O).

Изображение: функция эффективности сгорания от соотношения топливно-воздушного эквивалента

Если двигатель работает в условиях эксплуатации на обедненной смеси , количество продуктов неполного сгорания невелико из-за избытка кислорода. В рабочих условиях богатых эти количества становятся более значительными, поскольку кислорода недостаточно для полного сгорания топлива.

Поскольку часть химической энергии топлива не полностью высвобождается внутри двигателя в процессе сгорания, полезно определить эффективность сгорания.

Эффективность сгорания η _c [-] определяется как соотношение между энергией, выделяемой сгоревшим топливом, и теоретическим содержанием энергии в массе топлива в течение одного полного цикла двигателя.

\ [\ eta_c = \ frac {H_R (T_A) — H_P (T_A)} {m_f \ cdot Q_ {HV}} \ tag {2} \]

где:

H _R [Дж] — энтальпия ( внутренняя энергия) реагента
H _P [Дж] — энтальпия (внутренняя энергия) продукта
T _A [K] — температура окружающей среды
м _f [кг] — масса топлива, введенного за цикл
Q _HV [Дж / кг] — теплотворная способность топлива

Теплотворная способность

Теплотворная способность (также известная как энергетическая ценность или теплотворная способность ) фиксированного количества топлива — это количество тепла. выделяется при его сгорании.Теплотворная способность топлива — это величина теплоты реакции, измеренная при постоянном давлении / объеме и стандартной температуре (26 ° C) для полного сгорания единицы массы топлива.

Любое топливо имеет два типа теплотворной способности:

• более высокая теплотворная способность (HHV), также известная как общая теплотворная способность
• более низкая теплотворная способность (LHV), также известная как теплотворность нетто (определяется вычитая теплоту испарения воды из более высокой теплотворной способности)

В качестве примера в таблице ниже мы можем увидеть теплотворную способность для наиболее распространенных и альтернативных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания:

29,84

Топливо	Нижняя теплотворная способность [МДж / кг]	Высшая теплотворная способность [МДж / кг]
Водород	119.96	141,88
Природный газ	47,13	52,21
Обычный бензин	43,44	46,52
Сжиженный углеводородный газ (СНГ)	46,60	50,14
Сжиженный природный газ (СПГ)	48.62	55,19
Бутан	45,27	49,20
Пропан	46,28	50,22

Эффективность термического преобразования

фактическая величина работы преобразования соотносится химическая энергия, выделяемая в процессе сгорания.

Эффективность термического преобразования определяется как соотношение между работой за цикл W _c [Дж] и энергией, выделяемой сгоревшим топливом.

\ [\ eta_t = \ frac {W_c} {H_R (T_A) — H_P (T_A)} \ tag {3} \]

Эффективность термического преобразования показывает, сколько сгоревшего топлива превращается в полезную механическую работу.

Эффективность преобразования топлива

Эффективность преобразования топлива определяется как соотношение между полезной механической работой, производимой двигателем, и теоретическим содержанием энергии в массе топлива.

\ [\ eta_f = \ frac {W_c} {m_f \ cdot Q_ {HV}} \ tag {4} \]

Работа за цикл Вт _c [Дж] может быть записана как функция мощности и скорости двигателя :

\ [W_c = \ frac {P \ cdot n_R} {N} \ tag {5} \]

где:

P [W] — мощность двигателя (указанная)
N [rot / s] — частота вращения двигателя
n _R [-] — количество оборотов коленчатого вала для каждого рабочего хода на цилиндр

Масса топлива , используемая на цикл двигателя м _f [кг] может быть записана как функция массового расхода топлива и частоты вращения двигателя:

\ [m_f = \ frac {\ dot {m} _f \ cdot n_R} {N} \ tag {6} \]

где m _f (точка) [кг / с] — массовый расход топлива.

Замена (5) и (6) на (4) дает выражение для функции эффективности преобразования топлива в виде мощности двигателя, массового расхода топлива и теплотворной способности топлива:

\ [\ eta_f = \ frac {P} {\ dot {m} _f \ cdot Q_ {HV}} \ tag {7} \]

Удельный расход топлива двигателя SFC [кг / Дж] — это соотношение между массовым расходом топлива и указанной мощностью двигателя:

\ [SFC = \ frac {\ dot {m} _f} {P} \ tag {8} \]

Замена (8) в (7) дает выражение функции эффективности преобразования топлива для удельного расхода топлива и теплотворной способности топлива:

\ [ \ eta_f = \ frac {1} {\ text {SFC} \ cdot Q_ {HV}} \ tag {9} \]

Эффективность преобразования топлива также является продуктом между эффективностью сгорания и эффективностью термического преобразования.6} = 0,307 \]

Эффективность преобразования топлива двигателя составляет 30,7%.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

.

Бензиновый двигатель | Британника

Бензиновый двигатель , любой из класса двигателей внутреннего сгорания, вырабатывающих энергию за счет сжигания летучего жидкого топлива (бензина или бензиновой смеси, такой как этанол) с воспламенением от электрической искры. Бензиновые двигатели могут быть построены для удовлетворения требований практически любого возможного применения в силовых установках, наиболее важными из которых являются легковые автомобили, небольшие грузовики и автобусы, самолеты авиации общего назначения, подвесные и малые внутренние морские агрегаты, стационарные насосные агрегаты среднего размера, осветительные установки и т. Д. станки и электроинструменты.Четырехтактные бензиновые двигатели используются в подавляющем большинстве автомобилей, легких грузовиков, средних и больших мотоциклов и газонокосилок. Двухтактные бензиновые двигатели встречаются реже, но они используются для небольших подвесных судовых двигателей и во многих ручных инструментах для озеленения, таких как цепные пилы, кусторезы и воздуходувки.

Поперечный разрез V-образного двигателя. Encyclopædia Britannica, Inc.

Типы двигателей

Бензиновые двигатели могут быть сгруппированы в несколько типов в зависимости от нескольких критериев, включая их применение, метод управления подачей топлива, зажигание, расположение поршня и цилиндра или ротора, количество ходов за цикл, систему охлаждения, а также тип и расположение клапана.В этом разделе они описаны в контексте двух основных типов двигателей: поршневых двигателей и роторных двигателей. В поршневом двигателе давление, создаваемое сгоранием бензина, создает силу на головку поршня, которая перемещает цилиндр по длине возвратно-поступательным или возвратно-поступательным движением. Эта сила отталкивает поршень от головки цилиндра и выполняет работу. Роторный двигатель, также называемый двигателем Ванкеля, не имеет обычных цилиндров, оснащенных возвратно-поступательными поршнями.Вместо этого давление газа действует на поверхности ротора, заставляя ротор вращаться и таким образом выполнять работу.

бензиновые двигатели Типы бензиновых двигателей включают (A) двигатели с оппозитными поршнями, (B) роторные двигатели Ванкеля, (C) рядные двигатели и (D) двигатели V-8. Encyclopædia Britannica, Inc.

Большинство бензиновых двигателей относятся к поршнево-поршневому типу. Основные компоненты поршневого двигателя показаны на рисунке. Почти все двигатели этого типа используют четырехтактный или двухтактный цикл.

Типовая схема поршневой цилиндр бензинового двигателя. Encyclopædia Britannica, Inc.

Четырехтактный цикл

Из различных методов восстановления энергии от процесса сгорания наиболее важным до сих пор был четырехтактный цикл, концепция, впервые разработанная в конце 19 века. Четырехтактный цикл показан на рисунке. При открытом впускном клапане поршень сначала опускается на такте впуска. Воспламеняющаяся смесь паров бензина и воздуха втягивается в цилиндр за счет создаваемого таким образом частичного вакуума.Смесь сжимается, когда поршень поднимается на такте сжатия при закрытых обоих клапанах. По мере приближения к концу хода заряд воспламеняется электрической искрой. Затем следует рабочий ход, когда оба клапана все еще закрыты, а давление газа обусловлено расширением сгоревшего газа, давящим на головку или головку поршня. Во время такта выпуска восходящий поршень выталкивает отработавшие продукты сгорания через открытый выпускной клапан. Затем цикл повторяется. Таким образом, каждый цикл требует четырех тактов поршня — впуска, сжатия, мощности и выпуска — и двух оборотов коленчатого вала.

Двигатель внутреннего сгорания: четырехтактный цикл Двигатель внутреннего сгорания имеет четыре такта: впуск, сжатие, сгорание (мощность) и выпуск. Когда поршень перемещается во время каждого хода, он поворачивает коленчатый вал. Encyclopædia Britannica, Inc. Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Недостатком четырехтактного цикла является то, что завершается только половина тактов мощности, чем в двухтактном цикле ( см. Ниже ), и только половину такой мощности можно ожидать от двигателя данного размера при заданная рабочая скорость.Однако четырехтактный цикл обеспечивает более эффективную очистку выхлопных газов (продувку) и перезагрузку цилиндров, уменьшая потерю свежего заряда в выхлопе.

,

Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI) смесей бензин-CNG

В этом разделе подробно рассматриваются характеристики и сгорание смесей бензин-CNG в системе сгорания RCCI для обоих методов. В нем объяснены параметры, влияющие на горение низкоактивных видов топлива, и метод управления процессом горения.

3.1. Характеристики сгорания бензина и КПГ в двигателе внутреннего сгорания RCCI

Было обнаружено, что степень расслоения КПГ в общей смеси оказывает значительное влияние на максимальную нагрузку с точки зрения достижимого IMEP и φTotal.Степень расслоения определяется временем нагнетания, при этом 300 ° BTDC представляют гомогенную смесь, а 120 ° BTDC представляют собой расслоенную смесь. У 300 ° BTDC очень ранний момент впрыска, и топливо впрыскивается, когда впускной клапан открыт. Следовательно, именно топливо имеет достаточно времени, чтобы полностью смешаться с воздухом и образовать однородную смесь. С другой стороны, при 120 ° до ВМТ топливо впрыскивается после закрытия впускного клапана, а время смешивания топлива и воздуха очень короткое и не позволяет полностью перемешаться.

На рис. 11 показано, что при закачке до КМТ 300 и 240 ° могут использоваться более высокие коэффициенты полной эквивалентности. Но при 180 ° и 120 ° ВМТ максимальный рабочий φTotal был ограничен уменьшенным IMEP при заданном φTotal по сравнению со случаями 300 и 240 ° BTDC.

Рисунок 11.

Влияние степени расслоения КПГ на IMEP. (K — ограничено детонацией; mf — ограничено пропуском зажигания).

Результаты IMEP показывают согласие с исследованиями Genchi G и Pipitone E [22], где повышенный состав КПГ дает более высокий IMEP.При наивысшей степени стратификации, хотя максимальная нагрузка была ограничена, не было значительного падения IMEP, и тенденция была аналогичной для условий 300 и 240 ° BTDC. Соответствующие значения указанного теплового КПД показаны на Рисунке 12. Наблюдалось, что максимальная нагрузка ограничивается детонацией при закачке СПГ при 300 ° ВМТ, а в других случаях увеличение скорости закачки СПГ приводило к нестабильной работе или пропускам зажигания.

Рис. 12.

Влияние степени стратификации КПГ на указанный тепловой КПД.

Из рисунка 13 видно, что момент зажигания можно изменить, изменив время впрыска СПГ при заданной нагрузке. Момент воспламенения был определен путем определения начальной скорости выделенного тепла и массовой доли сожженного топлива, полученных из данных давления, где 0% точек до непрерывного распространения сожженной массовой доли определяется как начало воспламенения проанализированных циклов сгорания.

Рис. 13.

Влияние степени расслоения КПГ на угол опережения зажигания.

Когда скорость впрыска CNG была увеличена, момент зажигания был отложен из-за более высокого октанового числа CNG. Кроме того, более высокая степень расслоения приводила к более высоким приращениям задержки момента зажигания по мере увеличения скорости впрыска КПГ. Наклон кривых был более крутым при задержке времени впрыска. При заданном увеличении скорости впрыска КПГ увеличение задержки момента зажигания было выше при увеличении степени расслоения. То есть как скорость впрыска, так и степень расслоения СПГ оказали значительное влияние на момент зажигания при работе с φg = 0.20. Однако максимальный общий коэффициент эквивалентности был меньше, чем полученный с впрыском КПГ при 300 и 240 ° до ВМТ.

Было обнаружено, что продолжительность горения сокращалась при увеличении скорости впрыска КПГ на 300, 240 и 80 ° до ВМТ. Когда СПГ закачивался при 180 и 120 ° до ВМТ, продолжительность горения была незначительно затронута, и сначала она уменьшалась до определенных значений скорости закачки СПГ, а затем снова увеличивалась.

На рисунках 15–18 показана скорость тепловыделения и повышения давления при различных временах впрыска.Увеличение скорости закачки СПГ при 300 ° до ВМТ ограничивалось детонацией, как показано на Рисунке 14. Но с более поздним временем закачки, с φg = 0,20, любое увеличение скорости закачки СПГ приводило к отсроченному самовоспламенению и снижению пикового давления. Следовательно, увеличение скорости впрыска СПГ сверх определенных уровней приводило к пропуску зажигания или отсутствию возгорания, тем самым определяя максимальный предел нагрузки.

Рисунок 14.

Влияние степени расслоения КПГ КПГ на продолжительность горения.

Как показано на Рисунке 15, увеличение скорости впрыска КПГ привело к задержке момента зажигания.До φTotal = 0,33 результирующее пиковое давление увеличивалось, а при дальнейшем увеличении скорости закачки КПГ оно снижалось. Кроме того, выше φ Total = 0,33 задержка момента зажигания была более значительной и приводила к снижению пикового давления. Как будет обсуждаться позже в этом разделе, эффективность сгорания обоих видов топлива увеличилась, а выбросы Ch5 снизились с увеличением φTotal выше 0,33, как показано на рисунках 23 и 29.

Рисунок 15.

История давления и скорость тепловыделения с СПГ закачка при 240 ° до ВМТ.

Таким образом, можно сделать вывод, что выше φTotal = 0,33 пиковое давление снижалось из-за задержки воспламенения, и сгорание было более полным с увеличением скорости впрыска при 240 ° ВМТ. То есть увеличение φg выше 0,33 привело к снижению пикового давления без снижения теплового КПД, как показано на рисунке 12. Скорость тепловыделения увеличивалась с увеличением скорости впрыска КПГ до φTotal = 0,40, выше которой она снова снижалась. Выше φTotal = 0,42 увеличение скорости впрыска КПГ приводило к пропуску зажигания или отсутствию возгорания, а сгорание бензина и КПГ прекращалось.

При впрыске CNG при 180 ° до ВМТ увеличение скорости впрыска CNG привело к более значительной задержке момента зажигания. Было незначительное увеличение пикового давления, когда φTotal было увеличено до 0,26, после чего оно снова снизилось. Тепловой КПД и эффективность сгорания увеличились, в первую очередь, благодаря значительному увеличению полноты сгорания СПГ, о чем свидетельствуют выбросы Ch5, как показано на Рисунке 29. Скорость тепловыделения увеличивалась с увеличением скорости впрыска СПГ, как показано на Рисунке 17.Однако увеличение скорости впрыска КПГ выше φTotal = 0,26 привело к снижению общей эффективности сгорания и высоким выбросам Ch5, как показано на рисунках 23 и 29. Это говорит о том, что степень расслоения, создаваемая при впрыске 180 ° BTDC, приводит к ухудшению сгорания и приводит к снижению по тепловому КПД, как показано на Рисунке 12. Аналогичные тенденции наблюдались при закачке СПГ при 120 ° до ВМТ, когда φTotal был увеличен выше 0,24, как показано на Рисунке 16.

Рисунок 16.

История давления и скорость тепловыделения при закачке СПГ при 120 ° до ВМТ.

Рис. 17.

История давления и скорость тепловыделения при впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ.

Рис. 18.

История давления и скорость тепловыделения при впрыске КПГ при 80 ° до ВМТ.

Рис. 19.

Массовые доли сожженных при впрыске КПГ при 240 ° ВМТ.

Рис. 20.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 180 ° до ВМТ.

Рис. 21.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 120 ° до ВМТ.

Рисунок 22.

Массовые доли, сжигаемые при впрыске КПГ при 80 ° до ВМТ.

Рисунок 23.

Влияние степени расслоения на полноту сгорания.

Рис. 24.

Влияние впрыска КПГ на температуру выхлопных газов.

Рисунок 25.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы NOx.

Рисунок 26.

Влияние степени стратификации КПГ на образование NO2.

Рисунок 27.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы CO.

Рисунок 28.

Влияние степени расслоения КПГ на выбросы УВ.

Рисунок 29.

Влияние времени впрыска на выбросы Ch5 с φg = 0,20.

Рис. 30.

Влияние зазоров впрыска на характеристики горения смеси ГНКГ для 50 и 90% состава при лямбда 1.

Рис. 31.

Влияние зазора впрыска на полноту сгорания для различных составов смеси при лямбда 1

Рисунок 32.

Распределение смеси для 30 и 90% состава смеси при зазоре впрыска 0 и 20 мс.

Рисунок 33.

Задержка горения относительно КНИ.

Рисунок 34.

Последовательность горения для ГПГ при составе смеси 60/40 и лямбда 1.

Рисунок 35.

Влияние зазора впрыска для состава бензин / КПГ 60/40 при лямбда 1.

При впрыске КПГ задержка до 80 ° до ВМТ, увеличение скорости впрыска привело к значительной задержке зажигания; однако влияние на пиковое давление до φTotal = 0 было менее заметным.28. Увеличение φTotal выше привело к более значительной задержке воспламенения и пикового давления, а также к увеличению скорости тепловыделения. Тепловой КПД и эффективность сгорания увеличились в первую очередь за счет значительного увеличения полноты сгорания СПГ, как это предполагают выбросы Ch5, как показано на Рисунке 29.

Как показано на Рисунке 19, увеличение скорости впрыска СПГ при 240 ° до ВМТ привело к задержке воспламенения. При φTotal = 0,28 и 0,33 наблюдалось небольшое увеличение скорости горения на последней стадии горения по сравнению со сжиганием на чистом бензине.При 180 и 120 ° до ВМТ не наблюдалось значительного влияния на скорость горения топлива из-за увеличения скорости впрыска КПГ, но это вызывало значительную задержку воспламенения, как показано на рисунках 20 и 21. Аналогичные результаты были получены с впрыском КПГ. при 80 ° до ВМТ; однако при φTotal = 0,28 и 0,33 сгорание было медленнее на начальных этапах и быстрее на последних этапах, как показано на рисунке 22.

Как показано на рисунке 23, с увеличением φTotal путем впрыска СПГ на 300, 240, и 80 ° до ВМТ, эффективность сгорания увеличена.Наибольший прирост был получен при закачке сжатого природного газа при температуре 80 ° до ВМТ для данного увеличения φTotal из-за расслоения смеси. Однако при впрыске КПГ при 180 и 120 ° до ВМТ КПД сгорания первоначально увеличивался, но снова снизился и был ниже 80% для всех φTotal.

Температура выхлопных газов увеличивалась по мере увеличения скорости впрыска КПГ, как показано на рисунке 24. Повышение температуры выхлопных газов с увеличением скоростей впрыска СПГ при 180 и 120 ° ВМТ было меньше, чем наблюдаемое при увеличении скорости впрыска СПГ. при 300, 240 и 80 ° до ВМТ.Когда топливо смешивалось однородно, это приводило к более высокой температуре выхлопных газов из-за быстрого горения. Аналогичным образом, когда СПГ был сильно расслоен, это также приводило к повышению температуры выхлопных газов.

На рисунке 25 показаны указанные конкретные выбросы NO _x (ISNO _x ). Выбросы NO _x были незначительно затронуты и были примерно одинаковыми для всех условий испытаний. Однако при разном времени закачки и скорости закачки КПГ наблюдались разные тенденции.

Увеличение скорости впрыска СПГ привело к резкому увеличению отношения NO ₂ / NO _x до определенной точки, а затем оно уменьшилось. Как показано на Фигуре 26, соотношение NO ₂ / NO _x почти удвоилось, когда скорость впрыска СПГ была увеличена примерно до φTotal = 0,33 перед тем, как снова снизиться. То есть до определенного значения скорости впрыска СПГ СПГ снижал температуру сгорания и приводил к образованию более высоких количеств NO ₂ .

Указанные удельные выбросы CO (ISCO) были значительно снижены, так как смесь была обогащена сжатым природным газом путем прямого впрыска при всех временах впрыска, как показано на рисунке 27. Однако полученное снижение было самым высоким, когда сжатый природный газ вводился при 300 и 240 ° ВМТ. Любое увеличение скорости впрыска КПГ в более поздние сроки закачки приводило к меньшему сокращению выбросов CO. Наименьшее снижение было получено при времени впрыска 80 ° до ВМТ, поскольку высокая степень расслоения СПГ ограничивала доступность и распределение кислорода и разницу температур в СПГ и частицах воздуха.

Было обнаружено, что на выбросы углеводородов существенно влияет степень расслоения СПГ, как показано на Рисунке 28. Наибольшее сокращение выбросов УВ было получено при закачке КПГ при температуре 80 ° до ВМТ. Более высокая степень расслоения СПГ приводит к более полному сгоранию.

На рис. 29 показано массовое соотношение расхода Ch5 в выхлопных газах и массового расхода сжатого природного газа, впрыскиваемого в цилиндр. При заданном постоянном коэффициенте эквивалентности бензина φg = 0,20 непосредственный впрыск КПГ при 80 ° ВМТ приводил к наименьшему выбросу Ch5.Следовательно, сгорание СПГ было более полным, когда он был расслоен. Закачка СПГ при 300 и 240 ° до ВМТ привела к умеренным уровням выбросов Ch5, а самые высокие значения были получены при закачке КПГ при 180 ° до ВМТ. Это происходило из-за создаваемой турбулентности и условий перемешивания в цилиндре, когда поршень менял свое направление при 180 ° до ВМТ.

3.2. Характеристики сгорания бензина и КПГ в камере сгорания постоянного объема

Влияние зазора впрыска на сгорание смеси бензин-сжатый природный газ (GCNG) обсуждается ниже.Изменение зазора впрыска оказало непосредственное влияние на распределение смеси внутри камеры сгорания. Было проверено пять интервалов впрыска, 0, 5, 10, 15 и 20 мс. Ожидается, что эти зазоры для впрыска будут иметь возможность напрямую управлять распределением смеси внутри камеры.

Влияние зазоров впрыска показано на Рисунке 30. На нем показаны два состава смеси: 50 и 90% GCNG. Зазор для впрыска дает различный эффект между двумя композициями. В 50% -ном газовом газе более длинный зазор впрыска обеспечивает более высокую эффективность сгорания, максимальное давление, общее выделенное тепло (THR) и более короткую задержку.Кроме того, он также показывает большую продолжительность для всех стадий сгорания. Напротив, более длинный зазор впрыска снижает эффективность сгорания, максимальное давление, THR и более длительную задержку сгорания для 90% GCNG. Однако тенденции в отношении продолжительности горения аналогичны: большая продолжительность для большего промежутка впрыска. Рисунок 31 подтвердил изменение эффекта зазора впрыска на процесс сгорания смеси ГПГ. Точка поворота указана между 70 и 80% состава смеси GCNG. Для всей смеси более 80% показывает уменьшение полноты сгорания с увеличением зазоров впрыска, в отличие от смесей ниже 70%, которые показывают прирост полноты сгорания с увеличением зазоров впрыска.Эти различия могут быть вызваны распределением смеси внутри камеры.

Распределение смеси внутри камеры для смеси GCNG 30 и 90% с зазором впрыска 0 и 20 мс показано на рисунке 32. На рисунке смесь с сильным расслоением для смеси 30% GCNG с зазором впрыска 0 мс. Расслоение отмечено более темным цветом на дне камеры, что указывает на жидкость высокой плотности (бензин). Изображение показывает, что большая часть бензина была собрана в нижней части камеры из-за импульса впрыска CNG, который не позволяет бензину достичь верхней части камеры.С другой стороны, зазор впрыска в 20 мс показывает лучшее смешивание топлива, о чем свидетельствует примерно одинаковая интенсивность изображения по всей камере.

Зазоры для впрыска 30% смеси GCNG улучшают скорость смешивания, тем самым увеличивая характеристики сгорания. Кроме того, бензиновое топливо в основном скапливается в нижней части, которая также имеет среднюю низкую температуру по сравнению с верхней. В результате скорость испарения бензина занимает больше времени, что также увеличивает задержку сгорания, как показано на Рисунке 33.

С другой стороны, зазоры впрыска при 90% -ной смеси GCNG имеют такое же распределение жидкого топлива, как на Рисунке 32, где оба зазора впрыска показывают концентрированное распределение топлива в верхней части камеры. Несмотря на сходство, зазор впрыска 0 мс показывает более высокую интенсивность жидкого топлива (более темная область) на верхней стороне камеры по сравнению с зазором впрыска 20 мс. Он показывает, что зазор впрыска 0 мс имеет большее количество бензина по сравнению с зазором впрыска 20 мс, следовательно, больше времени требуется для процесса испарения.Это основная причина более низкой мощности сгорания, а также большей задержки сгорания на 0 мс по сравнению с зазором впрыска 20 мс.

Последовательность горения газового природного газа при зазоре впрыска 0 и 20 мс показана на рисунке 34. Скорость пламени при зазоре впрыска 20 мс выше, чем зазор впрыска 0 мс, с 37,02 м / с в первые 0,5 мс и 15,9 в первые. 1 мс после начала горения (SOC), а промежуток впрыска 0 мс с 30,56 м / с и 16,9 м / с при 0,5 мс и 1 мс, соответственно. Рисунок 34 также показывает разницу в цвете пламени для двух зазоров впрыска.Интервал впрыска 20 мс имеет голубой цвет, но с меньшей интенсивностью по сравнению со 100% бензином, а интервал впрыска 0 мс показывает желтый цвет. Можно предположить, что синий цвет является продуктом той же реакции, которая генерирует пероксид гидроксила и увеличивает мощность сгорания смеси.

При 100% -ном сгорании бензина голубое пламя возникает из-за гомогенной смеси, которая создает многоточечное горение за фронтом пламени, что значительно увеличивает мощность сгорания.Аналогичный процесс происходит в интервалах впрыска в 20 мс, с этой смесью достигается однородность смеси, поскольку эффект впрыска КПГ проявляется в более длительной задержке сгорания относительно начала впрыска, как показано на рисунке 35.

Зазоры впрыска оказались прямым влиять на распределение топлива внутри камеры, тем самым влияя на характеристики горения смеси. На процесс горения в ВАХ в основном влияют характеристики распределения топлива внутри камеры в момент горения.В этом случае зазоры для впрыска сильно влияют на распределение смеси внутри камеры, где более длинный зазор способствует смешиванию и создает более однородную смесь.

.

Двухтопливное сжигание | IntechOpen

1. Введение

Потребность в энергии в транспортном секторе растет из-за роста населения, и одновременно экономическая политика направлена ​​на повышение эффективности и сокращение выбросов опасных загрязнителей, включая оксиды азота (NOx), несгоревшие углеводороды (UHC) и твердые частицы (ВЕЧЕРА). Это вызвало большой интерес к электрификации автомобилей, а также к более чистым и эффективным двигателям. В то время как электрификация и гибридизация транспортных средств растут, ограничения по стоимости и плотности энергии батарей по-прежнему создают проблемы.Таким образом, прогнозируется, что двигатели внутреннего сгорания по-прежнему будут приводить в действие 60% легковых автомобилей в 2050 году [1], а рынок тяжелых грузовиков, вероятно, в обозримом будущем будет в основном работать на двигателях.

Чтобы соответствовать строгим нормам по выбросам и обеспечивать эффективную мощность, необходимы экологически чистые высокоэффективные двигатели. Были исследованы различные стратегии для повышения эффективности современных двигателей. К ним относятся такие технологии, как изменение фаз газораспределения, которые направлены на снижение насосных потерь, связанных с процессом газообмена, и турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, которые стремятся использовать энергию выхлопных газов для повышения удельной мощности двигателей.Кроме того, были реализованы более совершенные системы впрыска топлива, чтобы впрыскивать топливо при более высоких давлениях и тем самым способствовать смешиванию топлива и воздуха. Улучшенное смешивание увеличит эффективность сгорания, а также снизит выбросы твердых частиц. Более сложные системы впрыска топлива также могут быть использованы для разработки стратегий двухтопливного сгорания.

Было продемонстрировано, что стратегии двухтопливного сгорания эффективны как для двигателей с искровым зажиганием (SI), так и с двигателями с воспламенением от сжатия (CI).В двигателях SI для борьбы с детонацией можно использовать двухтопливные технологии. Детонация обычно возникает в условиях высокой температуры и высокого давления в цилиндре, при которых топливно-воздушная смесь самовоспламеняется, создавая ударные волны давления в цилиндре. Детонация может значительно повредить двигатель и чаще всего встречается при высоких нагрузках, когда эффективность достигает своего пика. Таким образом, высокая эффективность двигателя на бензиновом топливе часто ограничивается детонацией. В условиях высокой нагрузки фазировка сгорания двигателя часто откладывается до неоптимального момента, чтобы избежать детонации.Хотя это позволяет избежать вредного преждевременного возгорания, это также приводит к снижению эффективности.

В качестве альтернативы, детонацию можно предотвратить, используя топливо с более высоким октановым числом (обычно описываемым исследовательским октановым числом (RON), моторным октановым числом (MON) или антидетонационным индексом (AKI)). Топливо с высоким октановым числом сможет работать при оптимальной фазе сгорания даже при высоких нагрузках, но оно более дорогое. Если в двухтопливных двигателях используется высокооктановое топливо, можно использовать метод, известный как «октановое число по требованию».Стратегии с октановым числом по требованию часто реализуются в двигателях с возможностью работы на двух видах топлива с одновременным использованием топлива с низким и высоким RON [2, 3, 4, 5]. Благодаря возможности использования двух видов топлива, детонационная стойкость топливной смеси может быть изменена в реальном времени, чтобы избежать детонации при сохранении оптимальной фазировки сгорания. Такие методы также позволяют минимизировать затраты на топливо, поскольку менее дорогое топливо с низким RON можно использовать в более низких рабочих условиях, а топливо с высоким RON можно использовать только в условиях, подверженных детонации.

В двигателях с CI методы двухтопливного впрыска исторически использовались для модернизации старых дизельных двигателей на более дешевое топливо. Помимо использования альтернативного источника энергии, реализация также позволила сократить выбросы твердых частиц. Совсем недавно методы двухтопливного впрыска стали использоваться для содействия использованию менее реакционноспособных видов топлива и облегчения более совершенных стратегий сгорания. Некоторые режимы двухтопливного сгорания показали большие перспективы и работают с высоким КПД и низким выходом загрязняющих веществ.Это часто достигается в широком рабочем диапазоне за счет одновременного использования двух видов топлива с различной реактивностью, чтобы способствовать предварительному смешиванию топлива или создать расслоение реактивности смеси в цилиндрах [6, 7].

Хотя эти двухтопливные режимы сгорания выглядят многообещающими, они в настоящее время не используются во многих серийных транспортных средствах из-за множества проблем, включая трудности с контролем фазирования сгорания и стабильностью сгорания с помощью более сложной стратегии сгорания, а также приемлемости для потребителей и инфраструктуры. ограничения.В настоящее время большинство из этих стратегий двухтопливного сгорания изучаются в строго контролируемых лабораторных условиях на одноцилиндровых двигателях. После удаления из лаборатории и внедрения на многоцилиндровых двигателях изменения сгорания и проблемы фазировки начинают преобладать [8, 9, 10]. Одной из таких проблем является возникновение более значительных отклонений от цилиндра к цилиндру, которые могут привести к непостоянной выработке мощности и потенциально опасным состояниям двигателя. Кроме того, в двигателях с ХИ многие стратегии двухтопливного сгорания используют более предварительно перемешанное сгорание, и поэтому время сгорания контролируется химической кинетикой.Это затрудняет правильное определение времени возгорания. Для уменьшения этих вариаций сгорания и обеспечения оптимальной фазировки сгорания требуются более совершенные методы управления.

Двухтопливные двигатели потенциально могут быть высокоэффективными и чистыми, но их использование также может быть ограничено из-за приемлемости для потребителей и проблем инфраструктуры. Пользователи должны будут заправить два топливных бака и им потребуется доступ к необходимым видам топлива в достаточно обширном регионе. В этой главе будут обсуждаться технологические разработки, которые привели к созданию современных двухтопливных двигателей, а также усовершенствования, которые были сделаны в двухтопливных двигателях CI и SI.

2. Обзор технологий

Концепция двухтопливного двигателя существует почти так же давно, как бензиновый (Otto) и дизельный двигатель. После разработки двигателя Николауса Отто с искровым зажиганием стремление улучшить тепловой КПД за счет увеличения степени сжатия двигателя привело к разработке двигателя Рудольфа Дизеля с воспламенением от сжатия. Впоследствии заинтересованность в улучшении управления воспламенением и регулированием горения привела к тому, что сам Рудольф Дизель предложил стратегию двухтопливного горения и запатентовал свое изобретение в 1901 году [11].Сегодня эта идея используется для продвижения использования газообразного топлива, такого как природный газ, в дизельных двигателях, а также для разработки передовых стратегий сгорания, которые используют возможность динамической оптимизации свойств топливной смеси (путем регулирования соотношения между впрыскиваемого топлива) в зависимости от условий эксплуатации. Такая реализация стратегии двухтопливного сжигания обещает значительный выигрыш в топливной экономичности, а также сокращение токсичных выбросов. Тем не менее, большинство преимуществ, связанных с двухтопливным сжиганием, в основном изучались в академических и исследовательских учреждениях в строго регулируемых условиях; технология в настоящее время все еще сталкивается с серьезными проблемами и ограниченным признанием, что ограничивает ее проникновение на рынок.

Этот раздел направлен на предоставление обзора развития двухтопливных двигателей с особым обзором истории, лежащей в основе технологии, и обсуждения примеров текущих и прошлых производимых двухтопливных двигателей. В следующих разделах будут обсуждаться текущие исследования двухтопливных двигателей и их ожидаемая роль в ближайшем и далеком будущем.

2.1. Краткая история

В заявке на патент, поданной 6 апреля 1898 года, Рудольф Дизель предлагает, что «если данная смесь сжимается до степени ниже ее точки воспламенения, но выше точки воспламенения второго или вспомогательного горючего материала, то тогда впрыск этой последней в первую сжатую смесь вызовет немедленное воспламенение вторичного топлива и постепенное сгорание первой смеси, причем сгорание после воспламенения зависит от впрыска воспламеняющегося или вторичного горючего »[11].Этот патент под названием «Способ зажигания и регулирования сгорания для двигателей внутреннего сгорания» был принят в 1901 году и знаменует собой одну из первых попыток внедрения и успешного воспламенения менее реактивного газообразного топлива в 4-тактном двигателе внутреннего сгорания с использованием второго топлива. Точно так же сегодня способность зажигать предварительно смешанный заряд (например, воздух и топливо с низкой реакционной способностью, такое как природный газ) с вторичным топливом с высокой реактивностью (например, дизельное топливо) или взаимозаменяемо работать только на топливе с высокой реактивностью является одним из важных характеристика стратегии двухтопливного сжигания.

В течение нескольких лет двухтопливный двигатель не использовался в коммерческих целях из-за его механической сложности и неустойчивой работы, вызванной самовоспламенением и детонацией. Первый коммерческий двухтопливный двигатель был произведен только в 1939 году компанией National Gas and Oil Engine Co. в Великобритании. Двигатель, работающий на городском газе или других типах газообразного топлива, был относительно прост в эксплуатации и в основном использовался в некоторых областях, где требовалось дешевое стационарное производство энергии [12]. Во время Второй мировой войны нехватка жидкого топлива вызвала дополнительный интерес к двухтопливным двигателям со стороны ученых из Великобритании, Германии и Италии.Некоторые автомобили с дизельными двигателями были успешно преобразованы в двухтопливные, также изучалась возможность применения двухтопливных двигателей в гражданских и военных областях. В то время в обычных дизельных двигателях использовались различные виды газообразного топлива, такие как угольный газ, канализационный газ или метан [13]. После Второй мировой войны по экономическим и экологическим причинам двухтопливные двигатели получили дальнейшее развитие и стали использоваться в очень широком диапазоне применений от стационарного производства электроэнергии до автомобильного и морского транспорта, включая грузовики дальнего и ближнего следования и автобусы [12 ].

В 1949 году Крукс, инженер в Cooper-Bessemer Corporation — одном из основных производителей двигателей во время Второй мировой войны, представил экспериментальную работу с двухтопливным двигателем, который, как утверждалось, привел к созданию самого эффективного двигателя с тепловым эффектом. КПД 40% при полной нагрузке. Он также подчеркивает, что двухтопливный двигатель стал «чрезвычайно экономичным источником энергии с чрезвычайно низкими затратами на техническое обслуживание» [14]. Возможность использования относительно дешевых ресурсов газового топлива и одновременного получения выгоды от высокого теплового КПД способствовала преобразованию обычного двигателя с воспламенением от сжатия на двухтопливный режим.Тем не менее, важные ограничения все еще сохраняются: (1) при высоких нагрузках выходная мощность и эффективность были ограничены началом самовоспламенения и детонации с наиболее распространенными газообразными топливами, (2) процесс сгорания в двухтопливном двигателе очень чувствителен к тип, состав и концентрация используемого газообразного топлива, и (3) при работе с малой нагрузкой двухтопливный двигатель демонстрирует большую степень циклических изменений рабочих параметров, таких как пиковое давление в цилиндре, крутящий момент и задержка зажигания [13 ].

По-прежнему проводится множество исследований для понимания и преодоления проблем, связанных с работой двухтопливных двигателей. Многообещающая задача заключается в успешном использовании преимуществ двухтопливного двигателя в автомобильной промышленности.

2.2. Двойное топливо в современной автомобильной промышленности

В главе книги, озаглавленной «Двухтопливный двигатель», опубликованной в 1987 году, Гази А. Карим, который ранее провел несколько исследований [15, 16, 17, 18, 19, 20] на тема двухтопливных двигателей предполагает, что, хотя двухтопливный двигатель использовался в широком диапазоне стационарных приложений для выработки энергии, когенерации, сжатия газов и перекачки; Внедрение в мобильные приложения «остается областью неотложных долгосрочных исследований, которые могут иметь потенциал для широкого открытия рынка двухтопливных двигателей и увеличения использования ресурсов газового топлива, особенно в транспортном секторе» [21].

Действительно, применение двухтопливной технологии было более благоприятным для стационарных и тяжелых приложений, чем для мобильных и легких приложений. Тем не менее, подходящее долгосрочное исследование, предложенное Каримом для транспортного сектора, все еще продолжается. В последнее время усилия по диверсификации энергетических ресурсов транспортной отрасли побудили исследователей и производителей двигателей в равной степени изучить возможности использования стратегии двухтопливного сжигания.Кроме того, введенные правительством нормативные акты в отношении выбросов при выходе из двигателя и целевых показателей эффективности использования топлива стимулировали поиск инновационных технологий для двигателей, в том числе новых реализаций двухтопливной концепции.

В последние годы исследовательская группа из Университета Висконсин-Мэдисон предложила реализовать стратегию двухтопливного сжигания для снижения выбросов оксида азота (NOx) и твердых частиц (PM) [6, 7, 10, 22] , Стратегия сжигания, называемая воспламенением от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI), обещает значительное сокращение выбросов загрязняющих веществ, а также впечатляющее повышение эффективности использования топлива.RCCI использует смешение топлива в цилиндрах, по крайней мере, с двумя видами топлива с разной реакционной способностью, и множественные впрыски для управления реактивностью топлива в цилиндрах для оптимизации фазы, продолжительности и величины сгорания. Процесс включает введение топлива с низкой реактивностью в цилиндр для создания хорошо перемешанного заряда топлива с низкой реактивностью, воздуха и рециркулирующих выхлопных газов. Топливо с высокой реактивностью впрыскивается до того, как произойдет воспламенение предварительно смешанного топлива, с использованием однократного или множественного впрыска непосредственно в камеру сгорания [22].

Kokjohn et al. [6] сравнили характеристики обычного дизельного сгорания и двухтопливного сгорания с RCCI. Их исследование показало, что реализация стратегии двойного сжигания топлива привела к сокращению выбросов NOx на три порядка, уменьшению количества сажи в шесть раз и увеличению общего КПД на 16,4%. Splitter et al. [7] продемонстрировал на двухтопливном двигателе RCCI, что оптимизация расслоения топлива в цилиндрах с двумя видами топлива с большой разницей в реактивности позволила получить общий показанный тепловой КПД около 60%.Кроме того, с помощью моделирования они показали, что стратегия двухтопливного сжигания отбрасывает меньше тепла и что может быть достигнуто ~ 94% максимальной эффективности цикла при одновременном получении сверхнизких выбросов NOx и PM.

Подобные мотивы для повышения теплового КПД двигателей привели к реализации двухтопливной стратегии в легких двигателях с искровым зажиганием. Первоначально предложенный в качестве концепции двигателя в 2005 году Cohn et al. [3], двухтопливный двигатель с искровым зажиганием имел две системы впрыска топлива — одну для обычного бензина, а другую для этанола.Двигатель будет способствовать использованию альтернативных видов топлива, таких как этанол, уменьшая зависимость от ископаемых видов топлива, и это была альтернативная стратегия подавления детонации, которая позволяет работать с более высокой нагрузкой и более высокой эффективностью. Топливо с высоким октановым числом, такое как этанол, используется в сочетании с обычным топливом, бензином, для динамической регулировки сопротивления топливной смеси самовоспламенению в зависимости от условий эксплуатации.

Исследования Cohn et al. [3] предположили, что двухтопливное сгорание может потенциально увеличить КПД приводного цикла двигателя SI примерно на 30%.Аналогичные исследования Daniel et al. [4] продемонстрировали, что двойной впрыск показал преимущества в отношении указанной эффективности и выбросов почти при всех нагрузках по сравнению со стратегией прямого впрыска бензина (GDI) на одном топливе. Кроме того, Chang et al. [77] показали, что максимальное сокращение выбросов CO ₂ от скважины до колеса (W-t-W) на 30% может быть достигнуто за счет использования двухтопливной системы впрыска. В многочисленных исследованиях, таких как [23, 24, 25], продолжаются исследования преимуществ, которые могут быть достигнуты за счет внедрения двухтопливного сгорания в современные автомобильные двигатели.

В следующих разделах применение и преимущества двухтопливного сгорания отдельно обсуждаются для двигателей с воспламенением от сжатия и с искровым зажиганием, после чего следуют заключительные замечания.

3. Двухтопливные двигатели с воспламенением от сжатия

Дизельные двигатели или двигатели с воспламенением от сжатия доминируют на рынках средних и тяжелых условий эксплуатации из-за их более высокой эффективности и способности обеспечивать высокий крутящий момент. Такие двигатели требуют более реактивного топлива, которое будет самовоспламеняться при высоких давлениях и температурах.Это ограничивает количество топлива, которое можно использовать в двигателях CI. Двухтопливные двигатели позволяют использовать менее реактивное топливо, так как они могут использовать второе, более реактивное топливо для воспламенения. Кроме того, двухтопливные концепции также были исследованы как способ снижения выбросов двигателя. Обычное сгорание дизельного топлива регулируется диффузией и обычно сопровождается выбросами большого количества оксидов азота (NO _x ) и твердых частиц (ТЧ) [26]. Выбросы оксидов азота возникают в результате высоких температур в цилиндрах, которые способствуют сочетанию азота (переносимого со свежим воздухом) с избытком кислорода [27].Между тем, в регионах, богатых топливом, образуются твердые частицы или сажа при агломерации углеводородных частиц [27, 28]. Таким образом, высокие локальные коэффициенты эквивалентности могут привести к образованию сажи, а высокие локальные температуры могут привести к образованию NOx, как показано на Рисунке 1. Чтобы избежать этих проблемных областей, многие двухтопливные мощные двигатели CI пытаются работать в условиях которые способствуют предварительному смешиванию топлива и воздуха и / или достигают расслоения в цилиндрах для достижения высокой эффективности и низкого уровня выбросов.За счет включения более предварительно смешанного горения можно почти полностью исключить богатые области, в которых могли бы образовываться ТЧ, и достичь более короткой продолжительности горения, что снижает локальные температуры и, следовательно, выбросы NO _x [6, 7, 29, 30, 31, 32, 33 ].

Рис. 1.

Выбросы в зависимости от местной температуры в сравнении с местным коэффициентом эквивалентности.

Таким образом, двухтопливные двигатели используются на рынке тяжелых грузов по двум основным причинам:

1. Как способ использования более доступных, но менее реактивных видов топлива в качестве основного источника энергии и использования топлива с высокой реактивностью. чтобы начать горение.

2. Как способ введения топлива с различной реакционной способностью и создания более сложного режима горения, который может быть более эффективным и производить меньше NO _x и твердых частиц.

3.1. Обычные двухтопливные двигатели с воспламенением от сжатия

По мере того, как мир стремится стать менее зависимым от обычного дизельного топлива и бензина, растет интерес к использованию таких видов топлива, как природный газ, в двигателях. Некоторые из этих видов топлива менее реактивны, чем обычное дизельное топливо, и поэтому их сложнее использовать в двигателях с воспламенением от сжатия, где необходимо самовоспламенение топлива.Двухтопливные системы являются одним из способов использования менее реактивного топлива в двигателях большой мощности [34, 35, 36, 37, 38]. Одним из таких видов топлива является природный газ, и здесь он будет рассматриваться как пример преимуществ и проблем, связанных с работой двигателя этого типа.

Природный газ труднее воспламенить, чем обычное моторное топливо, поэтому его легче интегрировать в двигатели с искровым зажиганием. В двигателях большой мощности для природного газа необходим источник воспламенения, поэтому он обычно впрыскивается в порт, а дизельное топливо — напрямую и служит пилотом.Топливо, которое впрыскивается через порт, предварительно смешивается с воздухом и обычно демонстрирует процесс быстрого сгорания, в котором доминирует химическая кинетика реакции горения, но топлива, которые впрыскиваются напрямую и должны смешиваться с воздухом, имеют тенденцию к более длительному горению. во многом зависит от времени, необходимого для адекватного смешивания воздуха и топлива. Поскольку двухтопливные двигатели имеют топливо с прямым впрыском и одно с прямым впрыском, в них часто наблюдается двухступенчатый процесс сгорания. Доля горения, которая происходит в смеси предварительно смешанных идиффузионный режим будет сильно зависеть от количества каждого используемого топлива [39]. Хотя это усложняет процесс сгорания, двухтопливный впрыск может обеспечить стабильное сгорание менее реактивного топлива, такого как природный газ, в двигателях CI. Однако при работе в этом типе режима наблюдается снижение экономии топлива примерно на 10% [34].

При двухтопливном сгорании изменяются не только экономия топлива или эффективность, но и выбросы. В двухтопливных двигателях, работающих на природном газе и дизельном топливе, наблюдается снижение выбросов NOx и PM до 60% [34].Однако эти выбросы зависят от используемого топлива, а также от количества каждого используемого топлива. Например, было показано, что выбросы твердых частиц и гранулометрический состав твердых частиц сильно зависят от свойств топлива с прямым впрыском и уровня замещения природного газа. Топливо с прямым впрыском с более низкой плотностью и вязкостью и более высокой летучестью производит меньшее количество твердых частиц [40]. Однако более высокие скорости замещения природного газа могут увеличить уровень сажи, поскольку они уменьшают локальную доступность кислорода [41].

Как и в случае со многими двигателями, работающими на природном газе, обычно встречаются более высокие выбросы CO и UHC. Различные степени замещения природного газа были исследованы в [42] и показали, что только меньшие количества природного газа могут использоваться в условиях низкой нагрузки из-за ограничений по выбросам, но более высокие фракции природного газа могут использоваться при высоких нагрузках. Прямой впрыск обоих видов топлива [43], более высокое давление впрыска и адаптированные блоки управления двигателем [44, 45] были реализованы, чтобы избежать этих ограничений по выбросам.Системы последующей обработки, включая катализаторы окисления дизельного топлива [35], а также дизельные фильтры твердых частиц и системы селективного каталитического восстановления мочевины [46], также были внедрены в двухтопливные двигатели для снижения выбросов. Однако для обеспечения эффективного использования больших количеств природного газа, вероятно, потребуются более совершенные методы сжигания и методы оптимизации [47, 48].

Большинство исследований традиционных двухтопливных двигателей сосредоточено на природном газе, но этот подход использования дизельного топлива в качестве пилотного топлива также может быть усилен с различными видами топлива, которые недостаточно реактивны, чтобы использоваться в качестве единственного топлива на двигатель с воспламенением от сжатия.Двухтопливные концепции также были исследованы с комбинациями видов топлива, включая метанол и дизельное топливо [49], биогаз и биодизель, биогаз и дизельное топливо [50].

3.2. Усовершенствованные двухтопливные двигатели с воспламенением от сжатия

Чтобы повысить эффективность двигателей, было проведено много исследований более сложных режимов сгорания. Многие из этих передовых стратегий сгорания пытались предварительно смешать топливо и воздух, чтобы добиться более эффективного и чистого сгорания, но смогли использовать только в более низких диапазонах крутящего момента [51, 52].Одна из стратегий расширения рабочей области этих более продвинутых технологий заключается в одновременном использовании двух видов топлива с различной реакционной способностью, чтобы дополнительно увеличить период задержки сгорания и способствовать предварительному смешиванию в более высоких рабочих областях [53]. Эта стратегия известна как воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI). В RCCI топливо с низкой реакционной способностью, такое как бензин, впрыскивается отдельно от дизельного топлива с высокой реакционной способностью. Количество каждого соответствующего топлива может быть изменено так, чтобы событие сгорания можно было отложить, чтобы обеспечить адекватное время смешивания, и можно было достичь желаемой формы сгорания.Недавняя работа в RCCI показала, что свойства топлива, которые отличаются от свойств обычного топлива, могут быть использованы для формирования процесса сгорания и повышения эффективности двигателя с 45% до почти 60% [6, 7] в этом режиме. Несмотря на то, что повышение эффективности может быть значительным, высокие выбросы CO и UHC, а также высокие скорости повышения давления все же могут ограничивать использование RCCI.

3.2.1. Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью

Горение типа RCCI первоначально изучалось в Университете Висконсин-Мэдисон с использованием бензина в качестве топлива с низкой реактивностью с впрыском через порт и дизельного топлива в качестве топлива с прямым впрыском и высокой реактивностью [7].За счет использования двух видов топлива с различными свойствами может быть достигнуто расслоение реакционной способности смеси в цилиндре, что приведет к более длительным задержкам воспламенения и увеличению времени предварительного смешивания. Было показано, что дизельное топливо с более низкой реакционной способностью является предпочтительным в этих условиях эксплуатации, поскольку оно увеличивает локальный градиент реактивности [54, 55]. В таких режимах более реактивные компоненты топлива потребляются с большей скоростью, а более медленные компоненты топлива составляют большую часть выбросов UHC [56].

Использование альтернативных видов топлива, таких как этанол и природный газ, в таких условиях эксплуатации типа RCCI также показало многообещающие результаты и, по-видимому, позволяет лучше использовать преимущества этих альтернатив. Исследования, проведенные Navistar, Аргоннской национальной лабораторией и консультантами по исследованию двигателей в Висконсине, показали, что использование E85 в качестве топлива с низкой реактивностью может позволить достичь более высоких нагрузок и эффективности с помощью RCCI. В то время как более традиционные бензиновые и дизельные двухтопливные двигатели достигли BMEP 11,6 бар и теплового КПД тормозов (BTE) 43.6%, использование E85 с дизельным двигателем позволило увеличить работу до 19 бар BMEP с BTE 45,1% [57]. Более поздние исследования, проведенные RWTH Aachen University и FEV GmbH, показали, что при использовании дизельного топлива и этанола более высокие количества этанола могут быть использованы в условиях более низкой нагрузки и обеспечат более стабильное сгорание и более низкие выбросы UHC. Однако по мере увеличения нагрузки требовалось большее количество дизельного топлива, чтобы поддерживать скорость повышения давления в цилиндре на приемлемом уровне [58].

Некоторым из этих пагубных воздействий на выбросы CO и UHC можно противодействовать с помощью более сложных стратегий впрыска топлива [59].Например, в недавней работе исследовалось использование впрыска этанола в порт с многоимпульсным прямым впрыском дизельного топлива. Двойной пилотный впрыск позволил снизить выбросы UHC и CO в условиях типа RCCI [60]. Также было показано, что другие методы, такие как использование более высоких давлений впрыска, могут повысить эффективность и обеспечить дальнейшее снижение выбросов NOx, CO, UHC и PM [61].

3.2.2. Проблемы с воспламенением от сжатия с контролируемой реактивностью

Хотя методы RCCI являются многообещающими, эти режимы страдают несколькими техническими проблемами.Во-первых, изменения от цикла к циклу и от цилиндра к цилиндру могут быть более значительными, чем при обычном сгорании дизельного топлива [62, 63]. Поскольку смешение топлива и воздуха имеет решающее значение, и в этих режимах обычно используются большие количества рециркулируемого выхлопного газа, небольшие изменения количества топлива в цилиндрах и газовой смеси могут привести к значительным изменениям в процессе сгорания. Борьба с такими вариациями, вероятно, потребует более сложных стратегий управления и дополнительных датчиков двигателя [62].

Во-вторых, управление фазированием горения в этих режимах является сложной задачей, поскольку процесс горения управляется химической кинетикой, а не запускается непосредственно в результате впрыска.Методы управления должны стремиться поддерживать оптимальную фазировку сгорания при одновременном обеспечении того, чтобы скорость повышения давления и колебания сгорания не превышали допустимых пределов, путем мониторинга соотношения топливной смеси [64] и момента прямого впрыска [65]. Для успешного использования RCCI может также потребоваться переключение между традиционным дизельным сгоранием при более низкой нагрузке и двухтопливным режимом работы при более высокой нагрузке [65]. Промежуточные режимы, такие как «двухтопливное сгорание с предварительным смешиванием» и «воспламенение от сжатия с частичным предварительным смешиванием», могут обеспечить чистые и эффективные стратегии промежуточного сгорания, которые могут использоваться сами по себе или при переходе от обычного дизельного сгорания к RCCI [66].

Как обсуждалось ранее, выбросы UHC и CO часто выше в режимах RCCI. Считается, что это связано с тем, что местные коэффициенты эквивалентности могут упасть ниже предела воспламеняемости природного газа и привести к выбросам несгоревших углеводородов [67], но может потребовать разработки новых систем доочистки для этих двигателей. Потребительское признание также вызывает озабоченность в отношении двухтопливных двигателей. Поскольку пользователи могут не захотеть заправлять два топливных бака, Splitter et al. исследовал метод включения RCCI с использованием бензина и улучшителя цетанового числа ди-трет-дутилпероида (DTBP) [22].В этом исследовании в качестве топлива с низкой реактивностью использовался бензин, закачиваемый через порт, но в качестве топлива с высокой реактивностью использовался бензин, смешанный с различными количествами DTBP. Был достигнут максимальный общий ITE 57%, а выбросы были аналогичны стандартным уровням двухтопливного RCCI.

4. Двухтопливные двигатели с искровым зажиганием

Реализация стратегии двухтопливного сгорания в двигателях средней и большой мощности в основном обсуждалась в предыдущем разделе. Такое использование стратегий двухтопливного сгорания обычно ограничивается двигателями с воспламенением от сжатия, где дизельное топливо является обычным топливом.Тем не менее, в последние годы маломощные двигатели с искровым зажиганием также были оснащены двухтопливной системой сгорания. В этом разделе будет обсуждаться реализация и использование двухтопливного сгорания в легких двигателях SI.

В двигателях SI также используется стратегия двухтопливного сгорания для содействия использованию альтернативных видов топлива, таких как этанол и метанол. Становится все больше и больше навязанных правительством законодательных актов, поощряющих использование биотоплива на транспорте [68].Действующее законодательство требует от стран-членов ЕС соблюдения минимального целевого показателя в 10% по использованию альтернативных видов топлива (биотоплива или других возобновляемых видов топлива) на транспорте к 2020 году [69]. В США налоговые льготы использовались для продвижения использования этанола в бензине [70], чтобы повторить успех, замеченный в Бразилии [71]. Стремление получить выгоду от стимулов или соблюдения законодательства побудило производителей двигателей изучить возможность использования двухтопливного сжигания в двигателях с искровым зажиганием с использованием биотоплива и других возобновляемых видов топлива.

Кроме того, одной из основных причин внедрения двухтопливного сгорания в двигателях SI также была разработка более совершенных методов контроля детонации в двигателях. Детонация в двигателе, непреднамеренное самовоспламенение топлива в локальных областях высокого давления и температуры внутри цилиндра [72, 73], может привести к значительному повреждению двигателя и является одним из основных препятствий в двигателях SI. Традиционный подход к предотвращению детонации в двигателях с искровым зажиганием (SI) состоит в задержке фазы сгорания за счет замедления синхронизации зажигания [74].Событие сгорания, происходящее позже в такте сгорания (дальше от верхней мертвой точки), имеет меньшую тенденцию к детонации, поскольку давление сгорания и температура ниже. Однако отсрочка фазирования сгорания также снижает эффективность использования топлива, поскольку при позднем сгорании может быть извлечено меньше работы [75].

Стратегия двухтопливного сгорания предоставляет двигателям SI альтернативный способ избежать детонации без снижения топливной эффективности. Склонность топлива к самовоспламенению зависит не только от условий в цилиндре, но и от детонационной стойкости (октанового числа) топлива.Таким образом, повышение октанового числа топлива помогает избежать детонации без снижения эффективности использования топлива. Двигатели с двухтопливным режимом могут одновременно использовать топливо с низким и высоким RON, чтобы оптимизировать детонационную стойкость топливной смеси, контролируя пропорцию каждого впрыскиваемого топлива. Во многих исследованиях изучалась реализация двухтопливной стратегии подавления детонации [2, 3, 4, 5, 72, 73, 74, 75].

Исследования Cohn et al. [3] и Bromberg et al. [76] в Массачусетском технологическом институте предложили концепцию двигателя с наддувом этанолом, которая обеспечивает подавление детонации двигателя при высоком давлении за счет использования прямого впрыска этанола.Их исследования показывают, что внедрение системы вторичного впрыска топлива может позволить двигателю работать с гораздо более высокими уровнями турбонаддува и потенциально может повысить эффективность ездового цикла примерно на 30%. Daniel et al. [4] реализовали двухтопливную стратегию для снижения детонации на одноцилиндровом исследовательском двигателе SI. Исследование показывает, что стратегия двойного впрыска (с использованием этанола или метанола в качестве топлива с высоким RON) показала преимущества в отношении указанной эффективности и выбросов (HC, CO, CO ₂ ) почти при всех нагрузках по сравнению с прямым впрыском бензина для одного вида топлива. (GDI) стратегия.Кроме того, Chang et al. [77] провели оценку выбросов парниковых газов от Well-to-Wheels (W-t-W), чтобы оценить общие выгоды от выбросов двухтопливной системы, снижающей детонацию. Их исследование показало, что максимальное сокращение W-t-W CO ₂ может быть достигнуто за счет использования системы двухтопливного впрыска.

Двухтопливная конфигурация SI обеспечивает три основных преимущества: (1) двигатель может быть дополнительно уменьшен в габаритах и ​​работать в условиях высокого давления (2) детонационная стойкость топлива может регулироваться в зависимости от рабочей точки при сохранении оптимальной фазировки сгорания (максимизация двигателя КПД), и (3) рабочие точки с низкой склонностью к детонации могут работать с топливом с низким октановым числом, исключая потери RON, что обычно приводит к более дешевым расходам на топливо и меньшим выбросам CO ₂ [5, 77].Команда Saudi Aramco в сотрудничестве с IFP Energies nouvelles продемонстрировала эти преимущества на серийном легковом автомобиле [23, 78, 79]. Двухтопливная технология определяется как «возможность повысить топливную эффективность за счет использования октанового числа только тогда, когда это необходимо». Исследователи отмечают, что эта технология повысит эффективность использования топлива при одновременном снижении общих потребностей в энергии для производства бензинового топлива в будущем [79]. Исследователи из Aramco Fuel Research Center (AFRC) идентифицируют разработку серийного автомобиля как только начало и обрисовывают ближайшую цель перехода от автомобиля с двумя баками с двумя разными видами топлива к одному, использующему только одно топливо и обработать его с помощью бортовой системы модернизации топлива.

Подобно усилиям Saudi Aramco, в настоящее время растет интерес к использованию преимуществ стратегии двухтопливного сгорания на обычных двигателях SI. Исследование Массачусетского технологического института, проведенное Джо и соавт. [24] исследует использование двойного топлива для легкового автомобиля и грузовика средней грузоподъемности. Их исследования с использованием моделирования в сочетании с экспериментальными испытаниями показывают, что можно добиться значительного увеличения эффективности торможения двигателем: 30% для цикла городского графика движения динамометра (UDDS) и 15% для цикла US06.Исследования Marchitto et al. в Istituto Motori, CNR [25] продемонстрировали, что впрыск этанола в качестве вторичного топлива в порт продемонстрировал значительное увеличение теплового КПД (~ 10%) и значительное снижение количества частиц в выбросах, а также массы твердых частиц (60–80%).

Двухтопливное сгорание обеспечивает многообещающий путь повышения теплового КПД двигателей с искровым зажиганием. Возможность использовать альтернативные виды топлива, такие как этанол и метанол, а также способность подавлять детонацию без снижения термической эффективности вызвали интерес к этой технологии.Тем не менее проблемы, связанные с несколькими резервуарами и несколькими видами топлива, требуют от исследователей поиска путей, которые сделают эту технологию более доступной для повседневных потребителей.

5. Заключение

С момента создания стратегии двухтопливного сжигания как инструмента для лучшего управления горением, ее применение было наиболее важным в стационарных и тяжелых условиях. Интеграция двухтопливного сжигания в транспортную отрасль обещает большие преимущества как с точки зрения повышения топливной эффективности, так и снижения токсичных выбросов.Значительные усилия прилагаются для внедрения этой технологии в автомобильной промышленности для двигателей большой, средней и малой мощности. Текущие исследования двухтопливного сжигания обещают обнадеживающие пути, которые позволят использовать более доступные газообразные топлива и возобновляемые виды топлива. Наблюдаемые преимущества двигателей с воспламенением от сжатия и с искровым зажиганием требуют дальнейших инвестиций, исследований и усилий по более эффективному использованию этих достижений в более крупных масштабах.

В двигателях с воспламенением от сжатия (CI) двухтопливное сгорание представляет собой эффективный подход к управлению синхронизацией сгорания и расширению ограничений нагрузки двигателя.Это достигается за счет впрыска топлива как с высокой, так и с низкой реактивностью, регулирования концентрации одного по отношению к другому и, таким образом, оптимизации реакционной способности топливной смеси (для каждого цикла) для различных рабочих условий. В двигателях с искровым зажиганием (SI) оптимизация октанового числа топлива представляет собой альтернативный подход, позволяющий избежать аномального сгорания (детонация двигателя из-за самовоспламенения). Обычный двигатель SI основан на отсроченном времени зажигания, чтобы избежать детонации, что приводит к снижению эффективности и увеличению выбросов.При использовании технологии двухтопливного сжигания два топлива с высоким и низким октановым числом могут использоваться для корректировки октанового числа топливной смеси по мере необходимости, чтобы избежать детонации без ущерба для эффективности двигателя.

Хотя двухтопливная эксплуатация имеет много потенциальных преимуществ, реализация этих стратегий на двигателях CI и SI также связана со значительными проблемами. Эти проблемы усугубляются, когда двухтопливное сгорание реализуется в сочетании с другими передовыми стратегиями сгорания, включая изменение фаз газораспределения и высокую циркуляцию EGR.Основные проблемы включают повышенные вариации сгорания и трудности с правильной регулировкой топливной смеси для эффективного управления синхронизацией сгорания (в двигателях CI) и эффективного контроля детонации (в двигателях SI). Хотя эта технология успешно использовалась в стационарных приложениях, реализация стратегии использования двух видов топлива в мобильных приложениях, особенно в транспортном секторе, по-прежнему сталкивается с ограниченными проблемами. Помимо технических проблем, связанных с двухтопливным двигателем, основная проблема его интеграции в автомобильную промышленность заключается в социальном сопротивлении требованию наличия и заполнения двух топливных баков.Для того, чтобы технология успешно проникла на автомобильный рынок, преимущества в плане повышения топливной эффективности и сокращения токсичных выбросов должны явно перевешивать технические и социальные проблемы.

.