КПД двигателя и топливная эффективность
КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
СТАТЬЯ №1
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ,
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?
Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя.
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны.
В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
* * *
Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД .
Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.
Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.
Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;
Суть этих значений такова:
Топливная эффективность — показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД – показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;
Рассмотрим, кратко все эти позиции:
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось. Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПД – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами
. Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.
В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…
РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС
Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.
* * *
Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок.
Задача – получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек. Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух.
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.
Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.
В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
— расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.
Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил.
Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода. Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее.
Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру.
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп. И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе».
Путь избавления от этого недостатка:
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.
* * *
Второй уровень потерь – значительные потери тепла, полученного от сгорания «усвоенного двигателем топлива».
Тепловой баланс бензинового двигателя складывается таким образом :
1) – тепло переводимое в полезную работу: 35%;
2) – тепло теряемое с выхлопными газами : 35%;
3) – тепло теряемое от потерь через систему охлаждения: 30%;
Задача – получить двигатель имеющий минимальные потери тепла во внешнюю среду. В идеале можно поставить задачу создать двигатель с термическим КПД в 80%. Но даже если удастся добиться этого показателя в 65-70%, вместо 35 % на сегодня, это будет огромный скачок вперед. Т.е. двигатель той же мощности при таком КПД начнет расходовать в 2 раза меньше топлива, чем прежде.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях такие большие потери тепла «на сторону»? Что приводит к такому печальному положению?
Первая категория тепловых потерь — потери тепла с отводом через стенки цилиндров с системой охлаждения. Вообще для повышения значения термического КПД охлаждать двигатель не следует совсем. От этого температура деталей двигателя сразу поднимется- и от этого обуглится масло (которое создает пленку для легкого скольжения на поверхностях трения), и поршень перестанет легко двигаться в цилиндре и двигатель скоро заклинит. Здесь мы снова напарываемся на противоречия совмещения в одном такте двух процессов – горения и расширения. Температура во время вспышки горения в начальном периоде поджига РСм – достигает 3000 С°. А предельная температура масла, когда оно еще смазывает и спасает от трения, это 200 – 220 градусов. При превышении этого температурного порога масло начинает «гореть» и обугливаться. Для обеспечения высокого КПД двигатель охлаждать не разумно, но для обеспечения возможности движения основного рабочего органа – поршня, смазка жизненно необходима… Т.е. система охлаждения, позволяющая поршню двигаться в цилиндре — резко снижает термический КПД двигателя. Это осознанное и необходимое уменьшение КПД.
Вторая категория тепловых потерь – потери тепла с выхлопными газами. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров для разных типоразмеров и двигателей колеблется от 800 до 1100 С°. Поэтому в работающем на высоких оборотах двигателе выхлопные коллекторы порой начинают раскаляться до малинового свечения… Это значит только одно — энергия горения топлива, превратившаяся во внутреннюю энергию газов горения в виде их высокой температуры, теряется безвозвратно и совершенно бесполезно. Именно через этот канал «тепловых убытков» современные ДВС теряют около 35% энергии горения топлива. И превратить эту энергию в полезную работу чрезвычайно сложно, максимум, что удалось сделать – это вставить в выхлопной тракт турбину, которая крутит компрессор турбонадува. Этим достигается повышение давления воздуха, попадающего в цилиндры. И этим немного увеличивается КПД. Но – надо понимать, что турбина «улавливает» не повышенную температуру, а избыточное давление газов, покидающих цилиндр. Т.е. это немного другая тема и экономия иного рода.
Таким образом оказывается, что поршневой мотор плохо «перерабатывает» не только температуру, но и высокое давление рабочих газов. На самом деле – на выхлоп идут рабочие газы с избыточным давлением в 8 – 10 атмосфер. Это очень немало, стоит только вспомнить, что первые паровые машины в начале 19-го века имели рабочее давление в 3 или 3,5 атмосферы и успешно работали на угольных шахтах и в металлургических заводах, как и двигатели первые паровозы.
Тут все дело кроется в одинаковых геометрических размерах объема сжатия и объема расширения. У поршневого двигателя они равны, и ничего тут не поделаешь. В идеале – эти объемы должны быть разными. Ухищрение типа цикла Аткинсона, когда в поршневых двигателях объем сжатия оказывается меньше, чем объем расширения, малоэффективны, так как резко снижают силу крутящего момента двигателя.
Но увеличение объема камеры расширения позволит лишь превращать в полезную работу весь излишек избыточного давления, а вот повышенную температуру раскаленных газов горения топлива этим методом утилизировать не удастся. Единственно, что пришло на ум инженерам, так это для превращения высокой температуры в работу — впрыскивать в цилиндры воду. По идее: вода, превращаясь в пар высокого давления, будет резко повышать давление образовавшейся паро-газовой смеси и при этом значительно понижать её температуру. Но, в поршневом двигателе за более чем 80 лет усилий в этом направлении так ничего эффективного и работоспособного создать и не получилось. Поршневая схема двигателя внутреннего сгорания оказалась очень враждебной этой идее и не позволила встроить в цикл работы двигателя паровой такт или паровую фазу.
Надо сказать, что по основополагающему закону термодинамики, сформулированному почти 200 лет назад С. Карно, тепловой двигатель с предельно возможным КПД должен иметь максимальную температуру рабочих газов в начале рабочего цикла, и минимальную температуру рабочих газов в конце цикла.
Но в поршневом двигателе внутреннего сгорания максимально высокую температуру газов на первом этапе цикла мешает получить система охлаждения, а минимально избыточную температуру газов в конце цикла мешает получить невозможность встроить в схему двигателя паровую составляющую.
В итоге мы сегодня пользуемся двигателями с термическим КПД около 35%, не многим лучше, чем 60 или 70 лет назад…
Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, позволяющую проводить процесс сгорания топлива в теплоизолированной камере сгорания (для достижения максимальной температуры в начале рабочего цикла), а так же позволяющую включать на завершающем этапе работы горячих газов горения паровую фазу (для достижения минимальной температуры в конце рабочего цикла). Так же такая конструкция двигателя позволит обходиться без обособленной и громоздкой системы охлаждения, которая бы «выкидывала» тепло во внешнюю среду.
Заодно — двигателю не нужна будет громоздкая и тяжелая выхлопная труба, которая в традиционных поршневых моторах гасит грохот от отработавших газов, вылетающих «выстрелами» с избыточным двлением в 8-10 атмосфер. Ибо в предлагаемой конструкции избыточное давление выхлопных газов будет минимальным.
* * *
Третий уровень потерь – заметные потери мощности на преодоление сил трения, как и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, как и потери на привод вспомогательных механизмов. Эти потери определяются как механические потери. Они зависят от кинематической схемы двигателя. Но кроме собственно на механические потери, кинематическая схема и ее конструкция так же влияют на другой важнейший показатель работы, который не имеет прямого отношения к КПД: это режим и величина крутящего момента.
Задача – получить двигатель, имеющий минимальные механические потери. А так же обладающий постоянно действующим крутящим моментом высокого значения при небольших размерах самого двигателя. Высокий и стабильный крутящий момент позволяет обходиться без такой громоздкой и сложной системы транспортного средства как коробка переключения скоростей. Пример – транспорт с электродвигателями и паровыми двигателями.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: в стандартном поршневом (тронковом) двигателе реакция шатуна (поперечная составляющая этой реакции относительно оси цилиндра) на давление рабочих газов все время прижимает поршень то к одной стороне цилиндра, то к другой. Эта система работы двигателя требует постоянной смазки сильно трущихся поверхностей, и затрат на преодоление этих сил трения. Кроме того, при вращении кривошипа КШМ, проекция плеча, создающего крутящий момент, к вектору движения поршня все время меняется от «ноля» до «максимума» и обратно каждый рабочий ход. Такой все время скачкообразно пульсирующий режим крутящего момента малопригоден для привода исполнительных механизмов. И только на высоких оборотах поршневых двигателей сила крутящего момента заметно увеличивается. Но, высокие обороты (порядка 3-4 тыс. об. в мин.) не нужны большинству потребителей. Поэтому и приходится делать сложную и громоздкую коробку переключения передач, которая является неотъемлемой частью автомобилей, мотоциклов и пр.
Кроме того механический КПД заметно уменьшается за счёт отбора мощности двигателя на привод его вспомогательных механизмов — помпы системы охлаждения, вентилятора охлаждения, распредвалов и клапанов газораспределения, электрогенератора и пр. А еще заметные потери мощности вызывает необходимость сжатия рабочей смеси, и чем выше степень сжатия, тем эти потери выше. Кроме того, заметные потери мощности может вызывать излишне ранее зажигание, когда двигатель вынужден, в конце 2-го такта «сжатие», сжимать начинающие расширяться продукты горения.
Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, в котором бы давление рабочих газов не прижимало главный движущийся рабочий орган к неподвижному корпусу. При этом двигатель должен отличаться такой конструкцией, которая бы позволяла иметь постоянное плечо крутящего момента на всем пути движения главного рабочего органа двигателя. При этом на таком пути давление рабочих газов должно осуществляться как можно дольшее время, в идеале – стремиться к 100%. Напомню, что у 4-х тактных двигателей из полного цикла двигателя из 2-х оборотов вала, давление на поршень действует лишь пол оборота, да и то в режиме передачи этого давления с нестабильным плечом крутящего момента.
ИТОГ:
ИТАК- сформулируем условия, которые выдвигает научный подход, для того чтобы создать двигатель с высоким КПД:
1) Основные технологические процессы двигателя «горение» и «расширение» должны быть разделены и разнесены для реализации в разные технологические камеры. При этом сгорание должно происходить в запертой камере, в условиях нарастающей температуры и увеличивающегося давления.
2) Процесс сгорания должен происходить достаточное время и в условиях избытка воздуха. Это позволит на 100% сжигать рабочую смесь.
3) Объем камеры расширения должен быть значительно больше камеры сжатия, минимум на 50%, Это нужно для полноценного перевода давления рабочих газов в работу на главном рабочем органе.
4) Должен быть создан механизм перевода высокой температуры выхлопных газов в работу на главном рабочем органе. Для этого есть только одна реальная возможность – подача воды для превращения высокой температуры газов горения в давление получаемого пара.
5) Рабочий орган и вся кинематика двигателя должны быть устроены таким образом, чтобы как можно больший период цикла двигателя рабочий орган воспринимал давление рабочих газов, а плечо перевода силы этого давления все время было максимально возможным.
После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи совершенно невозможно. Поршневой ДВС не удовлетворяет ни одному из этих требований. Из этого факта следует следующий вывод – необходимо искать более эффективные, альтернативные поршневой схеме, конструкции двигателя. И самая близкая к необходимым требованиям оказывается схема роторного двигателя.
В своей работе над концепцией совершенного роторного двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Надеюсь, мне это удалось сделать.
Сравним содержание основных возможностей главных механизмов и технических принципов, применяемых в различных типах двигателей. Существующие моторы я буду сравнивать с концепцией совершенного роторного двигателя, над созданием которой тружусь уже некоторое количество времени.
СТАТЬЯ №2-1
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ: ВСЕ ХОРОШО В МЕРУ
Все мы привыкли к тому, что экономичный и мощный двигатель должен иметь высокую степень сжатия. Поэтому на спортивных автомобилях двигатели всегда имеют высокую степень сжатия, а тюнинг двигателей (форсирование) для повышения мощности стандартных моторов массовых серий предполагает прежде всего увеличение их степени сжатия.
Поэтому в широком массовом мнении закрепилась идея — чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше, так как это ведет к увеличению мощности мотора и повышению его КПД. Но — к сожалению, это положение верно лишь отчасти, а точнее, оно верно не боле чем на 50%.
История техники говорит нам, что когда в 1860-х годах появился первый ДВС Ленуара (который работал без сжатия), он лишь едва-едва превосходил по КПД паровые машины, а когда (через 15 лет) появился 4-х тактный ДВС Отто, работающий со сжатием, то КПД такой модели сразу превзошел на голову по экономичности все существовавшие тогда двигатели.
Но сжатие – не такой уж простой и однозначный процесс. Тем более, что достигать очень высоких степеней сжатия, не имеет смысла, да и это очень трудно технически.
Первое: чем выше степень сжатия – тем больше рабочий ход поршня в цилиндре. Следовательно – больше линейная скорость движения поршня на высоких оборотах. Следовательно – тем больше инерционные знакопеременные нагрузки, действующие на все элементы кривошипно-шатунного механизма. При этом — еще и повышаются уровни давления в цилиндре. Поэтому у двигателя с высокой степенью сжатия и длинным рабочим ходом все элементы и детали мотора должны быть повышенной прочности, т.е. толстыми и тяжелыми. Именно поэтому дизеля не бывают маленькими и легкими. Поэтому не создано малых дизелей для мотоциклов, для подвесных лодочных моторов, легкой авиации и пр. Именно поэтому подвергнутые серьезному тюнингу – «пережатые» стандартные авто моторы имеют столь малый моторесурс.
Второе: чем выше степень сжатия, тем сильнее риск детонации со всеми вытекающими разрушительными последствиями. Заправка бензином с невысоким качеством может попросту разрушить такой мотор. О детонации – читайте в специальной СТАТЬЕ. Т.е. на определенной степени сжатия приходится применять все более дорогой и специальный бензин или особые присадки к нему. В пятидесятые — шестидесятые годы магистральной линией двигателестроения, особенно в США, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
Однако – достигать предельно возможных степеней сжатия нет никакого смысла. Дело в том, что термический КПД двигателя нарастает с повышением степени сжатия, но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Т.е. после достижения определенного порога степени сжатия ее дальнейшее повышение не имеет смысла, ибо выигрыш будет минимальным, а нарастающие трудности – огромными.
* * *
При внимательном анализе возможностей работы разных типов двигателей и поиске путей повышения их эффективности можно найти возможности, отличные от постоянного повышения степени сжатия. И они будут гораздо более эффективными и качественными, чем высокое повышение степени сжатия.
Для начала разберемся – а что дает собственно высокая степень сжатия. А дает она следующее:
— дает высокую длину рабочего хода, т.к. в поршневом двигателя длина хода сжатия равна ходу длины расширения;
— сильное давление в заряде рабочей смеси, при котором происходит сближение молекул кислорода и топлива. От этого процесс горения подготавливается лучше и идет быстрее.
По первой позиции можно дать такие комментарии: действительно, экономичность дизелей во многом обязана тому, что они имеют большую длину рабочего хода. Т.е. увеличение длинны хода расширения значительно более серьезно влияет на повышение эффективности и экономичности двигателя, чем повышение длины хода сжатия. Это дает возможность снимать с давления рабочих газов больше пользы – газы работают на большее перемещение поршня. И если в «бензиновых» моторах диаметр поршня примерно равен длине рабочего хода, с соответствующей «степенью сжатия» и «степенью расширения», которые привязаны к длине хода поршня, то в дизельных двигателях этот параметр заметно больше. У классических низкооборотистых дизельных двигателей ход поршня больше, чем диаметр поршня на 15-30%. В судовых дизелях эта разница приобретает вообще вопиющий размер. Например, у огромного 14-цилиндрового дизельного двигателя для супертанкера производства финской фирмы Wartsila, рабочим объёмом 25 480 литров и мощностью 108 920 л.с. при 102 об/мин., диаметр цилиндра составляет 960 мм., при ходе поршня — 2500 мм.
При этом напомню- что такие судовые дизеля работают на сырой нефти, которая может выдерживать очень высокую степень сжатия при таком огромном ходе поршня. Но увеличение степени сжатия имеет и свои неприятные стороны – требует применения дорогих высокооктановых сортов бензина, увеличения веса мотора, а так же немалых затрат мощности двигателя на процесс сильного сжатия.
Попробуем разобраться – а не получится ли достичь близкого, и даже большего эффекта в наращивании мощности и увеличения КПД двигателя иными способами, т.е. без излишнего увеличения степени сжатия с нарастанием присущего подобному процессу негатива. Оказывается, что такой путь возможен. Т.е. всех обоих положительных аспектов от наращивания степени сжатия можно получить иными путями и без присущих для наращивания степени сжатия неприятностей.
Рассмотрение первой позиции – большая длинна рабочего хода. Главное для экономичности – это большая длинна рабочего хода, чтобы все рабочие газы по максимуму передали давление на поршень. А в поршневом моторе рабочий ход равен длине хода сжатия. Вот как-то и закрепилось мнение, что важнее всего – степень сжатия, а не степень расширения. Хотя в поршневом двигателе — эти значения равны. Поэтому и разделять их не имеет особого смысла.
Но в идеале – лучше сделать эти длинны хода разными. Так как повышение хода сжатия ведет к массе неприятных последствий, то его сделать умеренным. А вот ход расширения, как отвечающий по максимуму за экономичность и эффективность, сделать максимально большим. Но в поршневом моторе это сделать практически невозможно (или сделать очень трудно и сложно- пример двигатель Кушуля). Зато есть масса схем роторных двигателей, которые позволяют без особого труда разрешить эту дилемму. Т.е. возможность двигателю иметь умеренную степень сжатия и при этом значительную длину рабочего хода.
Рассмотрение второй позиции – активизация и высокая эффективность процесса сгорания топлива. Его высокая скорость и полнота. Это важное условие качества и экономичности работы двигателя. Но, оказывается, степень сжатия (обеспечение высокого давления) является не единственным, и даже не самым лучшим способом достижения такого результата.
Тут я позволю себе цитату из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.
Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. если удастся обеспечить предельно высокую температуру среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет.
Из всех выше описанных теоретических подходов, можно сделать один вывод – мощный двигатель с высоким КПД может обойтись и без высокой степени сжатия, со всеми присущими для нее трудностями. Для этого в двигателе степень расширения должна быть заметно выше степени сжатия, а сгорание заряда свежей рабочей смеси должно происходить в предельно нагретой камере сгорания. При этом в процессе сгорания давление и температура должны повышаться за счет их естественного увеличения за счет энергии процесса горения. Т.е. камера сгорания должна герметично запираться и не менять свой объем в процессе сгорания. Следовательно: скоростного увеличения объёма камеры сгорания — с соответствующим падением давления и температуры (как это происходит в поршневом моторе) быть не должно.
Кстати- во время сгорания топливной смеси давление в запертой камере сгорания неизменного объема будет повышаться, т.е.сгорающие «второй серией» (более 60% от массы заряда) порции топлива будут сгорать при очень высокой степени сжатия (давление около 100 атм.) давление которого будет создано сгоранием первой части топлива. Тут надо зметить, что давление завершения такта сжатия даже у дизелей (этих нынешних рекродстменов по КПД) состалвяет не более 45-50 атм.
Но оба этих вышеупомянутых условия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом соблюсти и обеспечить невозможно. Поэтому и работают поршневые двигатели на повышенных степенях сжатия, со всеми вытекающими трудностями, и никак не могут преодолеть планку КПД в 40% уже почти 100 лет.
ИТОГ этой статьи таков – высокоэффективный двигатель большой мощности с высоким КПД может иметь умеренную степень сжатия, если будет иметь ход расширения, заметно больше чем ход сжатия. А сгорание рабочей смеси будет происходить в запираемой на время сгорания и не охлаждаемой камере (изохорный адиабатический процесс) при нарастающих температуре и давлении от энергии самого процесса сгорания.
В рамках идеи поршневого двигателя такую конструкцию создать невозможно, а вот в поле идей роторных двигателей подобные конструкции создать вполне реально. Чем и занимается автор этого текста и этого сайта.
СТАТЬЯ №2-2
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ-2: ВЗГЛЯД В ИСТОРИЮ
26.01.13г.
В первой части статьи я показал – что непрерывное повышение степени сжатия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом — единственный путь небольшого увеличения КПД двигателя, имеет четкие пределы своих возможностей. На степенях сжатия, приближающихся к 16, Рабочая Смесь с парами бензина даже октанового числа 100 начинает сгорать в режиме детонации, а детали и корпус двигателя становятся очень громоздкими и толстостенными (как в дизеле), чтобы выдерживать повышенные давления и великие инерционные нагрузки. Но огромные силы детонационного сгорания даже такие громоздкие и массивные детали разрушают очень быстро.
Но есть другие пути повышения КПД двигателя – это:
А) – увеличение температуры сгорания Рабочей Смеси (температуры в камере сгорания), чтобы добиться полного и быстрого сгорания паров бензина. При этом выделяется максимальное количество тепла и Рабочее Тело будет сильнее давить на поршень — т.е. совершать большую работу. По этому пути поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом и совмещенным процессом «горения-расширения» (3-й такт) идти не могут, так как масло (смазывающее стенки кинематической пары «поршень — цилиндр») при температуре 220 градусов уже начинает обугливаться и перестает смазывать. Именно поэтому цилиндр и поршень двигателя надо охлаждать, а это приводит в резкому снижению теплового КПД двигателя.
Б) – увеличение объема (степени) расширения Рабочего Тела (длины хода расширения) для полноценного расширения газов Рабочего Тела. Это позволит полностью использовать их избыточное давление. В современных поршневых двигателях на выхлоп идут газы с давлением в 5-8 атмосфер, что является значительными потерями. И это при том, что среднее эффективное давление поршневого двигателя составляет всего 10 атмосфер. Увеличить величину «срабатывания» этого давления мешает малая длина рабочего хода поршневого двигателя с КШМ (кривошипно-шатунным механизмом).
Если увеличить степень расширения газов Рабочего Тела в двигателе, то его КПД значительно увеличится и без необходимости повышения степени сжатия.
Давайте в этой статье обоснуем именно такую возможность.
Итак, тема этой статьи: для повышения КПД можно и нужно увеличивать степень расширения Рабочего Тела (рабочих газов) без увеличения степени сжатия. Это должно привести к значительному повышению эффективности работы двигателя. В оптимуме надо иметь: степень сжатия может быть совсем невеликой – примерно 3-х кратной, это соответствует давлению в заряде сжатой Рабочей Смеси в 4 атмосферы, но степень расширения (длина линии рабочего хода) должна превосходить эту небольшую степень сжатия примерно в 6-8 раз.
Такая постановка вопроса может показаться странной и неразумной всем знатокам традиционных схем двигателей, которые привыкли к высоким степеням сжатия в поршневых моторах. Но именно о таком парадоксальном положении дел в реальности свидетельствует внимательное изучение конструкций двигателей внутреннего сгорания, которые создавались и работали на заре появления таких двигателей, т.е. в эпоху создания первых ДВС.
Итак, первое заблуждение, которое работает на упрочнение мифа о необходимости создания высокой степени сжатия в двигателе, обосновывается тем, что первые двигатели внутреннего сгорания, которые создавались 150 лет назад, не сжимали предварительно Рабочую Смесь перед ее поджигом и поэтому имели совершенно мизерный КПД — почти такой же как и у примитивных паровых машин.
Действительно, первый действующий двигатель внутреннего сгорания конструкции Жана Ленуара (патент 1859 года) не имел предварительного сжатия Рабочей Смеси и работал с КПД в 4%. Всего 4 % — это как и прожорливые и громоздкие паровые машины того времени.
А вот первый образец 4-х тактного двигателя Николауса Отто, созданный в 1877 году, работал с предварительным сжатием Рабочей Смеси и при работе показал КПД в 22 процента, что для того времени было феноменальным достижением. При этом степень сжатия и степень расширения (как у всех нынешних поршневых ДВС с КШМ) у него были равны между собой.
На основании этих данных:
— КПД двигателя Ленуара без сжатия – 4%;
— КПД двигателя Отто со сжатием – 22 %;
делаются простые и ясные выводы – двигатель работающий с предварительным сжатием Рабочей Смеси работает по принципиально более эффективному режиму, и – чем больше степень сжатия – тем лучше. Этот вывод за 140 последних лет приобрел характер прописной истины и последние 100 лет двигателестроение идет по пути наращивания значения степени сжатия, которая сегодня уже достигла предельных значений.
НО в изложении этой информации- есть одно большое НО…
Оказывается тот же Николаус Отто, прежде чем создать свой знаменитый 4-х тактный двигатель со сжатием в 1877 году, немного раньше – в 1864 году создал, выпускал и успешно продавал многими сотнями другое свое изобретение – атмосферный двигатель внутреннего сгорания, работающий без предварительного сжатия. КПД этого двигателя составлял 15%… Такой высокий КПД совершенно не укладывается в теорию, что сильное предварительное сжатие Рабочей Смеси совершенно необходимо для достижения значительных показателей КПД двигателя.
Что-то в этой теме было не так, чего-то не хватало для понимания очень важных сфактов, и я решил изучить эту ситуацию. И вот к каким выводам я пришел:
-совершенно ужасный – мизерный – КПД двигателя Ленуара получался потому, что он имел совершенно недопустимо малую СРЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
— а очень достойным КПД в 15 % атмосферный двигатель Отто, работающий без сжатия, обладал от того, что имел очень большую СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
Правда этот двигатель Отто имел очень плохой крутящий момент и очень неровный режим вращения главного вала, поэтому и потом был быстро вытеснен 4-х тактными дви-гателями. Но вот со значением КПД у него было очень прилично.
Итак – смотрим на двигатель Ленуара. Этот двигатель работал по 2-х тактному циклу. Вначале на линии рабочего хода поршень втягивал в себя светильный газ и воздух (Рабочую Смесь). Затем клапан подачи закрывался. Электрическая свеча давала искру — и Рабочая Смесь вспыхивала, и горячий газ усиленного давления толкал поршень дальше. Затем при обратном ходе поршень выталкивал продукты горения из цилиндра, и затем все повторялось вновь.
Т.е. в одном рабочем такте — на «линии расширения» — были совмещены ТРИ рабочих процесса:
— впуск Рабочей Смеси;
— горение Рабочей Смеси;
— расширение Рабочего Тела;
Давайте внимательно посмотрим на габариты рабочих органов двигателя Ленуара и сделаем некоторые грубые расчеты. Диаметр поршня — 120 мм и ход поршня — 100 мм. Описания двигателя того времени сохранили данные о том, что на всасывание газа и воздуха отводилось расстояние примерно в половину длины «линии расширения». Затем клапан подачи закрывался и электросвеча давала искру. Т.е. на процесс расширения, вернее на объединённый процесс «горение-расширение» оставалось менее полвины длины рабочего хода… Искра поджигала смесь газа и воздуха, происходила вспышка, температура и давление газов в цилиндре резко увеличивалось и рабочее давление с усилием гнало поршень дальше. Максимальный пик рабчего давления газов на поршень составлял 5 атмосфер. Но надо понимать- что Рабочая Смесь поджигалась в условиях все углубляющегося падения давления – ведь поршень продолжал двигаться создавая разрежение ниже атмосферного давления… В таких условиях поджигаться могла только очень «богатая» смесь, перенасыщенная газом. Соответственно — сгорание в таком режиме было крайне неполным, да еще и расшириться продуты сгорания вряд ли могли полноценно – ведь длина рабочего хода была крайне малой. Т.е. для поршня диаметром в 120 мм. длина рабочего хода составляла менее 50 мм. Можно смело считать, что на выхлоп шли газы весьма высокого давления, да еще и перенасыщенные не сгоревшим светильным газом. Соответственно двигатель таких параметров имел мощность всего 0,5 лошадиной силы при частоте вращения вала в 120-140 оборотов в минуту.
ВЫВОД- двигатель Ленуара имел такой низкий КПД и такую малую мощность прежде всего по причине очень малой длины рабочего хода (когда рабочие газы просто не имели возможности сработать) и очень неэффективной организации рабочих процессов, когда предельно «богатая» Рабочая Смесь поджигалась при давлении заметно ниже атмосферного в условиях активного расширения объема. Т.е. этот двигатель следовало обозначить, как двигатель, работающий с ПРедварительным РАСШИРЕНИЕМ (разрежением) Рабочей Смеси….
ДАЛЕЕ – рассмотрим схему работы другого двигателя, работавшего без предварительного сжатия Рабочей Смеси, но имевшего КПД в 15 %. Это атмосферный двигатель Отто образца 1864 года. Это был очень необычный двигатель. Он по своей кинематике казался чем-то совершенно уродливым и не пригодным к работе, но при «корявой» кинематической схеме, он действовал по весьма рациональной схеме организации рабочих процессов и поэтому имел КПД в 15%. Цилиндр этого двигателя был установлен вертикально и поршень двигателя двигался вверх- вниз. При этом в этом двигателе не было КШМ, а поршень имел направленную вверх очень длинную зубчатую рейку, которая входила своими зубьями в зацепление с шестерней и вращала её.
При этом, когда под поршнем взрывалась Рабочая Смесь, и поршень мгновенно взлетал вверх – то шестеренка вращалась вхолостую, ибо специальный механизм отсоединял ее от маховика машины. Затем, когда поршень и рейка достигали крайней верхней точки, и давление рабочих газов в поршне переставало действовать, поршень и рейка под своим весом начинали путь вниз. В этом момент шестерня присоединялась к валу маховика, и начинался рабочий ход. Таким образом — двигатель действовал рывковыми импульсами и имел очень плохой режим кутящего момента. Двигатель к тому же имел малую мощность, так как усилие создавали только вес поршня и рейки (т.е. работала сила тяжести), а так же давление атмосферного воздуха, когда остывающими газами и поднятым вверх поршнем в цилиндре создавалось разряжение. Именно поэтому двигатель назывался атмосферным, ибо в нем вместе с силой тяжести работала и сила атмосферного давления.
Но зато – в такой конструкции двигателя были крайне удачно организованы рабочие процессы. Рассмотрим, как были организованы и действовали рабочие процессы в этом двигателе.
Вначале специальный механизм поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и туда происходило всасывание смеси воздуха и газа. Далее поршень останавливался. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через особую трубку. При взрыве горючего газа давление под поршнем скачкообразно поднималось до 4 атм. Это действие подбрасывало поршень вверх, объём газа в цилиндре увеличивался и давление под ним падало, так как внутренний объем поршня не имел связи с атмосферой и был в этот момент герметично закрыт. При подбрасывании взрывом поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось значительное разрежение. В данном случае рабочий ход оказывался максимальной длинны, и продолжался до тех пор, пока вся энергия сгоревшего топлива (в виде избыточного давления Рабочего Тела) полностью не израсходовалась на подъем поршня. Заметьте, что на фотографии двигателя видно – длинна рабочего хода (высота цилиндра) многократно — в 6-8 раз больше диаметра поршня. Вот какой длины был у него рабочий ход. В то время как в современных поршневых моторах диаметр поршня примерно равен рабочему ходу. Только в дизелях – этих современных чемпионах экономичности – рабочий ход примерно на 20-30 процентов больше диаметра цилиндра. А тут – больше в 6 или даже 8 раз….
Далее- поршень устремлялся вниз и начинался рабочий ход поршня под нагрузкой собственного веса и под действием атмосферного давления. После того, как давление сжимаемого в цилиндре газа на пути поршня вниз достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Все это время длинная зубчатая рейка крутила шестерню, соединенную валом с маховиком. Именно так производилась мощность двигателя. После возвращения поршня в нижнюю точку траектории движения все повторялось снова — спец механизм плавно поднимал его вверх и происходило всасывание свежей порции Рабочей Смеси.
В такой необычной схеме двигателя по причине предельно полного расширения нагретого Рабочего Тела КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и поэтому достигал 15 %. Кроме того – поджигание рабочей смеси в атмосферном двигателе Отто происходило при атмосферном давлении, тогда как в двигателе Ленуара этот процесс происходил в условиях нарастающего разрежения, т.е. в условиях нарастающего падения сил давления, когда давление оказывалось заметно меньше атмосферного.
Еще нужно сказть, что по принципиильной схеме близкой к схеме этого двигателя сегодня работают копры — дизель-молоты. Правда подача и поджигание топлива в них устроено иначе, но общая принципиальная схема движения рабочего органа- та же самая.
Есть еще одна особенность – которая играла на заметный рост КПД. Это особенности не было ни в двигателе Ленуара, нет ее и в современных 2-х и 4-х тактных двигателях.
В атмосферном двигателе Отто в момент поджигания Рабочей Смеси поршень стоял на месте, и при горении первых порций топлива в объеме сгорания создавалось нарастающее давление, т.е. порции топлива, которые сгорали во вторую, в третью и в последующую очередь – они сгорали в условиях нарастающего давления, т.е. сжатие Рабочей Смеси происходило за счет нарастаний давления от вспышки и выделения тепла первых порций горящего заряда. При этом инерционность давящей сверху на горящий газ системы – поршня, длинной рейки и атмосферного давления, создавала сильное сопротивление первому импульсу движения вверх, что и приводило к заметному повышению давления в среде горящего газа. Т.е. в атмосферном двигателе Отто горение Рабочей Смеси происходило в условиях резкого сжатия основного объема еще не начинающей гореть части заряда горючего газа. Хотя предварительного сжатия поршнем и не было. Именно это появляющееся во время горения заряда Рабочей Смеси фактическое сжатие значительной величины большей части паров топлива (вместе с рабочим ходом большой длинны) и играло на значительный КПД атмосферного двигателя Отто образца 1864 года.
А вот современные поршневые двигатели, как и двигатель Ленуара 150 лет назад, вынуждены поджигать свежий заряд Рабочей Смеси и условиях резко расширяющегося объема, когда поршень (а его очень мощно движет шатун и коленвал) отчаянно убегает от донышка цилиндра и расширяет объем «камеры сгорания». Для справки — скорость движения поршня в современных двигателях – 10-20 метров в секунду, а скорость распространения фронта пламени в сильно сжатом заряде паров топлива – 20-35 метров в секунду. Но в современных двигателях для устранения этого неприятного положения можно пробовать под-жечь заряд Рабочей Смеси «рано» — т.е. до достижения движущимся поршнем на линии завершения предыдущего такта Верхней Мертвой Точки (ВМТ), или в положении около этой точки. А вот в двигателе Ленуара это было невозможно, ибо после достижения поршнем ВМТ начинался процесс всасывания свежей порции горючего газа и воздуха, а ее поджигание возможно только в условиях резко увеличивающегося объема «камеры сгорания» и резкого падения давления в свежей порции Рабочей Смеси ниже атмосферного. Именно поэтому двигатель Ленуара и имел такой предельно низкий КПД.
Можно предположить, что если бы атмосферный двигатель Отто имел искровое электрическое зажигание (как более ранний двигатель Ленуара), то его КПД мог бы вполне приблизиться к 20%. Дело в том, что при зажигании заряда Рабочей Смеси в цилиндре открытым пламенем через особую трубку при вспышке некоторая часть горящего заряда вылетала в атмосферу через эту трубку и это были заметные потери… Если бы такие потери удалось исключить, то КПД этого двигателя был бы заведомо выше.
Но Отто не обладал знаниями в области электротехники (как Ленуар), поэтому он и установил на свой атмосферный двигатель такую примитивную и уменьшающую КПД систему зажигания.
ВЫВОДЫ из этой статьи таковы:
1) – устоявшееся мнение о возможности достижения предельно высокого КПД двигателя преимущественно за счет максимально возможной степени предварительного сжатия Рабочей Смеси справедливо только для конструкций поршневых двигателей , где стремительно движущийся от «донышка» цилиндра в сторону коленвала поршень (за счет принудительного привода от коленвала) с огромной скоростью расширяет объем «камеры сгорания» и уменьшает давление поджигаемого (и горящего- тоже) заряда Рабочей Смеси. В поршневом двигателе Ленуара, работающем без предварительного сжатия Рабочей Смеси, этот недостаток поршневых двигателей проявлялся особенно ярко. Что и приводило к его предельно низкому КПД.
В современных поршневых двигателях всех типов для устранения именно этого конструктивного «родового» недостатка в организации рабочих процессов как раз и применяется предельно высокая степень предварительного сжатия – именно для того, чтобы заставить свежий заряд Рабочей Смеси гореть при достаточно высоких давлениях и температуре (не смотря на скоростное увеличение объема камеры сгорания и соответствующее падение давления в этой камере), что является залогом относительно полноценного горения заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высокого давления и высокой температуры.
2) – в истории техники существуют конструкции двигателей иных кинематических схем и иного способа организации рабочих процессов, где даже без предварительного сильного сжатия свежего заряда Рабочей Смеси можно достигнуть неплохих значений КПД даже при очень примитивной конструкции. Пример – атмосферный двигатель Отто образца 1864 года, с КПД в 15 %.
3) – можно создать высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания, в котором процессы сгорания свежего заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высоких параметров будут происходить путем естественного сжатия горящего заряда за счет самих сил горения в условиях камеры сгорания неизменного объема. Тем более, что процесс предварительного сжатия до высоких значений (в 20-30 атмосфер), который характерен для современных поршневых двигателей, требует затрат значительного количества энергии двигателя и применения массивных, громоздких и тяжелых деталей.
При этом основной вклад в достижение высокого КПД сделает большой параметр объема расширения (длинный рабочий ход), который будет значительно больше объема сжатия.
ИМЕННО ТАКОЙ двигатель, не требующий затратного и громоздкого Предварительного Сжатия свежего заряда Рабочей Смеси высокого значения, автор данной статьи в настоящее время и создает. В этом двигателе предварительное сжатие будет осуществляться до невысоких значений, а основное сжатие заряда Рабочей Смеси в камере сгорания неизменного объема будет происходить за счет сил первого этапа самого горения. В идеале это будет детонационное горение: вспышка — взрыв. Далее Рабочее Тело высокого давления будет расширяться до конца своих возможностей в секторе расширения большого объема.
Игорь Исаев.»Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее….»
почему автотранспорт будет потреблять все меньше топлива :: Мнение :: РБК
Источник: auto.ru
Однако, несмотря на столь впечатляющие успехи, КПД автомобиля с ДВС по-прежнему невысок — 17–20%, что оставляет огромный потенциал для усовершенствований в этой области. Масштабное применение новых технологий в автомобилестроении может увеличить суммарную топливную эффективность еще на 50–60%, что приведет к снижению расхода топлива на новом легковом автомобиле до 4 л на 100 км в среднем. Любопытный факт: сейчас на самом современном дизельном автомобиле класса С уже можно проехать около 1500 км на одном баке, что практически соразмерно поездке из Москвы в Санкт-Петербург и обратно. Главным вопросом остается скорость распространения этих технологий на большую часть производимых автомобилей.
Читайте на РБК Pro
Электромобили
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), число электромобилей в мире за последние шесть лет выросло в 30 раз и достигло отметки 2 млн. При этом электромобили обладают рядом преимуществ перед традиционными машинами:
— электричество может быть произведено из различных источников энергии, включая возобновляемые;
— электродвигатели обладают гораздо большим КПД, чем ДВС;
— инфраструктура для их зарядки безопаснее и дешевле по сравнению с обычными АЗС;
— отсутствие выбросов CO2.
Бурный рост числа электромобилей в последние годы был обусловлен прогрессом в области производства аккумуляторных батарей (их стоимость за шесть лет в среднем снизилась в 3,7 раза, с $830 до $230 за 1 кВт·ч), а также активной государственной поддержкой в ряде стран и регионов, например в Китае, США, Европе и Японии. Субсидии, которые выплачивались в этих странах при покупке электромобиля, если и не делали его полностью конкурентоспособным с традиционными автомобилями, то по крайней мере существенно удешевляли.
Однако, несмотря на субсидии и значительный технический прогресс, для обеспечения реальной конкурентоспособности электромобилей необходимо дальнейшее существенное снижение затрат на батареи, поскольку именно на них приходится 70–90% от стоимости электромобиля. Согласно оценкам Энергетического центра бизнес-школы «Сколково», стоимость батарей должна снизиться в полтора-два раза, чтобы они стали конкурентоспособными без субсидий. Примерно такие же оценки дает McKinsey: стоимость батарей должна снизиться до $100 за 1 кВт·ч. Стоит отметить, что компании Tesla и General Motors объявили, что до 2025 года они снизят стоимость аккумуляторов более чем в два раза, как раз до $100 за 1 кВт·ч. А широкого развития данной технологии можно ожидать к 2030–2040 годам.
Еще одним важным фактором, определяющим скорость распространения электромобилей, является зарядная инфраструктура. По данным МЭА, в 2016 году в мире насчитывалось более 2 млн частных и более 300 тыс. общественных зарядных станций, из которых станций быстрой зарядки было всего 110 тыс. Отсутствие достаточного количества станций, обеспечивающих быструю зарядку, замедляет развитие рынка электромобилей. Более того, по сравнению со временем заправки традиционного ДВС (пять минут, включая оплату), быстрая зарядка электромобиля все равно намного медленнее (от 15 до 30 минут, в зависимости от мощности батареи электромобиля). Столь долгое для современного ритма жизни ожидание потребует изменения конфигурации заправочных станций: как минимум их расширения для сохранения пропускной способности на уровне традиционных АЗС, а как максимум ожидающих людей надо будет чем-то занять. Все это увеличит стоимость электрозаправочных комплексов.
Стоит отметить, что Россию «электромобильная лихорадка» пока толком не затронула. По данным «Автостата», в конце 2016 года электромобилей в стране было всего около 700 штук. Это связано в целом с дороговизной электрокаров, неразвитой заправочной инфраструктурой и отсутствием активной государственной поддержки.
Индустрия электромобилей не сможет демонстрировать равномерный рост во всем мире — скорее они будут распространяться в нескольких странах и регионах, где снижение издержек будет сопровождаться сильной господдержкой и развитием заправочной инфраструктуры — в Европе, Китае и США.
Автомобили на газе
Количество автомобилей на газовом топливе достигло уже 23 млн, однако более 80% из них сосредоточено всего в шести странах: Китае, Иране, Пакистане, Аргентине, Бразилии и Индии. Среди причин, по которым легковые автомобили на природном газе не получили широкого распространения по всему миру, можно выделить следующие:
— их стоимость и техническое обслуживание зачастую выше, чем у дизельных и бензиновых автомобилей;
— пробег на одном баке у автомобиля на газовом топливе обычно меньше, чем у сопоставимых транспортных средств из-за более низкой энергетической плотности природного газа;
— КПД «от бака до колес» автомобиля на природном газе примерно соответствует КПД автомобиля на бензине или дизельном топливе, притом что сжигание газа на электростанции и последующее использование его для электромобилей может поднять топливную эффективность газа в два раза;
— построить газовую автозаправочную станцию сложнее и дороже, чем обычную АЗС или зарядную станцию для электромобилей (около $0,8–1 млн против $0,3–0,5 млн и $0,1–0,2 млн соответственно).
В России главным сдерживающим фактором для газовых автомобилей является крайне ограниченное количество заправочных станций — в 2016 году их насчитывалось всего около 400 штук на всю страну. Однако тут перспективы более оптимистичные: Россия обеспечена природным газом, переоборудование автомобиля или покупка готового не так сильно бьет по карману потребителя, и поездка на газовом автомобиле обойдется почти в два раза дешевле, чем на бензиновом. Поэтому дальнейшее развитие заправочной инфраструктуры, а также, например, запуск конвейерного производства газового авто, как это было сделано в Иране, вполне в состоянии сделать газовые двигатели более привлекательными.
«Век нефти» продолжается
Если текущие тренды в области развития топливной эффективности и распространения транспорта на альтернативных источниках энергии будут и дальше развиваться, то есть экономия топлива на традиционных ДВС увеличится на 50%, автомобили на природном газе останутся потребительским выбором лишь в некоторых странах, а электромобили к 2030–2040 годам сравняются по стоимости с бензиновыми и дизельными, то к 2040 году можно ожидать, что доля природного газа и электричества в структуре энергопотребления дорожного транспорта станет уже вполне весомой. Наши расчеты показывают, что она превысит 15%. Это действительно очень много по сравнению с сегодняшними 5%, хотя все еще недостаточно для заявлений об окончании «века нефти».
Таким образом, нефтяное топливо останется доминирующим в автомобильных перевозках, однако повышение эффективности ДВС в сочетании с ростом использования альтернативных источников и соответствующее снижение потенциального спроса на нефтепродукты в долгосрочной перспективе могут быть весьма значительными. По оценкам Энергетического центра бизнес-школы «Сколково», к 2030 году «упущенный» за счет этих факторов спрос на нефтепродукты может составить порядка 470 млн т нефтяного эквивалента (н.э.), что соразмерно с добычей целых регионов (например, столько нефти производили вся Африка или Южная Америка в 2015 году), а к 2040 году потеря потенциального рынка для производителей нефти может достичь уже 750 млн т н.э. — это колоссальные объемы, равные совокупной добыче США и Канады в 2015 году.
Weichai объявила о выпуске первого коммерческого дизельного двигателя c КПД выше 50% — Пресс-релизы
Москва, 18 сентября. Корпорация Weichai, ведущая в области двигателестроения в Китае, во главе с председателем Таном Сюйгуаном 16 сентября 2020 года провела пресс-конференцию в г. Цзинань провинция Шаньдун. В ходе конференции было официально объявлено о выпуске первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50%.
На конференции немецкая TÜV SÜD (всемирная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайский исследовательский центр автомобильных технологий» вручили корпорации Weichai сертификат, подтверждающий, что эффективный КПД нового дизельного двигателя превысил 50,26%.
Эффективный КПД – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность, а уровень выбросов ниже. С 1897 года, когда впервые был успешно использован двигатель внутреннего сгорания, и за сто лет модернизации и технологических инноваций эффективный КПД дизельного топлива вырос с 26% до 46%. На сегодняшний день с постоянным ужесточением нормативов выбросов, процесс роста эффективного КПД значительно замедлился. Данная проблема стала общемировой технологической трудностью в отрасли двигателестроения.
Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период корпорация накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно совершенствует ключевые технологии. За последние 10 лет корпорация инвестировала 4,5 миллиардов долларов, привлекла более 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов со всего мира, более 3000 исследователей для участия в разработках. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан в Китае корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более 1 миллиона единиц двигателей.
Последние несколько лет корпорация Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению эффективного КПД. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, которая осуществляла огромное количество моделирований и стендовых испытаний, изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение эффективного КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва. Были разработаны пять специальных технологий – технология согласованного сгорания, технология согласованного проектирования, технология распределения энергии выхлопа, технология зонирования смазки и технология интеллектуального управления. Благодаря этим технологиям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности, низких потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления. Это позволило создать двигатель с эффективным КПД выше 50%.
Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.
Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении сгорания. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.
Технология распределения энергии выхлопа направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.
Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.
Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.
Рост эффективного КПД выше отметки в 50% является революцией в мировом развитии двигателестроения. Свои поздравления в достижении корпорацией Weichai этого исторического прорыва выразили: немецкая корпорация Bosch, австрийская AVL, немецкая FEV, американское Сообщество инженеров-автомехаников, Китайская ассоциация машиностроения, Китайская ассоциация промышленности двигателей внутреннего сгорания, другие авторитетные организации и специалисты.
Корпорация Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с эффективным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться соответствия требованиям уровня выбросов, соответствующих национальному стандарту G6/EU-VI, первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты по отрасли указывают на то, что повышение эффективного КПД с предыдущего уровня с 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и снизить уровень выбросов CO2 на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов СО2 на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом для решения экологических проблем.
Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50% ознаменовало выход китайских технологий тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке двигателя корпорация Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил также о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с эффективным КПД 55%!
Повышаем КПД генератора
Подавляющее большинство электрических генераторов, используемых как в быту, так и в промышленных целях, работают за счёт энергии двигателя внутреннего сгорания, в качестве топлива в котором используются бензин, дизельное топливо или газ. С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания прошло уже полторы сотни лет, но превращение сгорающего топлива в энергию по-прежнему остаётся самым эффективным способом её получения. Но на фоне всех достоинств ДВС выделяется главный его недостаток – низкий КПД и высокие потери энергии.
В среднем при использовании двигателя внутреннего сгорания на выходе можно получить лишь 20% энергии, тогда как её потери, соответственно, составляют до 80%. В эти 80% входят следующие потери:
· Потери топлива. Поршневые двигатели (как бензиновые, так и дизельные) сжигают лишь 75% всего топлива, а оставшиеся 25% в виде паров топлива вместе с продуктами его сгорания выходят через выхлопную трубу. В двухтактных двигателях топливная эффективность ещё ниже.
· Потери тепла. Современные двигатели внутреннего сгорания используют порядка 35-40% вырабатываемого тепла, а остальные 60-65% выбрасываются в окружающую среду через выхлопные газы и систему охлаждения.
· Потери механической мощности. До 10% мощности двигателя уходит на трение движущихся частей и на привод вспомогательных механизмов. Для электрогенераторов этот показатель ещё выше.
Таким образом, КПД самого эффективного двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%. Чтобы добиться от дизельного или бензинового двигателя максимальной эффективности, необходимо воздействовать на все три типа потерь. Самостоятельно повысить КПД генератора достаточно сложно, но в руках профессионала ваш двигатель может обрести небывалую эффективность, которая достигается следующими способами:
· Внедрение дожигателя. Этот способ направлен на повышение топливной эффективности. Дожигатель преобразует неиспользованные пары топлива и продукты неполного его сгорания в топливно-воздушную смесь и отправляет её на повторное сгорание. Таким образом, удаётся добиться почти полного сгорания топлива и на 10-15% повысить общий КПД двигателя.
· Возврат части тепловых потерь.
· Использование тепла высокотемпературных продуктов сгорания для обогрева прилегающей территории или нагрева пара в парогазовой электростанции. Это не повышает КПД двигателя напрямую, но позволяет уменьшить расход энергии на работу сопутствующих устройств.
· Введение системы впрыска с регулируемой подачей воды позволяет сократить расход топлива.
· Снизить механические потери двигателя поможет использование менее вязкого смазочного материала.
Комплексное применение способов повышения эффективности двигателя может увеличить его КПД на 30-35%, то есть, в два раза и даже больше.
Выше только небо :: Autonews
Технологии Mazda SkyActiv: Выше только небо
Mazda затянула с появлением собственного компактного кроссовера – конкуренты уже выпустили по второму-третьему поколению в этом сегменте. Японцы долго отмалчивались в ответ на прямые вопросы о потенциальном СХ-5. И не случайно: СХ-5 будет не просто новой моделью, но отправным пунктом новых технологий Mazda под названием SkyActiv. Это новая концепция Mazda, затрагивающая двигатели, трансмиссии, шасси и кузов. Концепция, которая стремится совместить динамичное эмоциональное вождение и экономичность, оставив при этом доступность для массового потребителя. Как это будет работать и продаваться, Mazda рассказала на техническом семинаре.Место встречи – Большой Московский планетарий, открывшийся после 17-летней реконструкции. Само собой, место выбрано со смыслом: слоган SkyActiv – «Выше только небо» (по-английски звучит более осторожно: Sky is the limit).
Двигаться дальше необходимо. Но если большинство компаний склоняются в сторону гибридных технологий или электромобилей, которые до сих пор вызывают сомнения в своей жизненной приспособленности (затраты на производство, развитие инфраструктуры, стоимость для конечного потребителя и т.д.), маленькая, но гордая компания Mazda решила пойти по собственному пути и занялась классическими ДВС.
Моторы
Расход топлива и выбросы СО2 – вот основные причины бессонницы современных автомобильных инженеров. И «маздовских» далеко не в последнюю очередь: не секрет, что ряд моделей Mazda, особенно с «автоматом», отличаются неэкономичным аппетитом.
У среднестатистического двигателя внутреннего сгорания коэффициент полезного действия составляет 35%. Потери имеют по большей части тепловую природу и зависят от системы выпуска, охлаждения, корпусных элементов двигателя и коробок передач. На эффективность работы влияет состав рабочей смеси, длительность горения, фазы газораспределения, потери на всасывание, потери на механическое трение и степень сжатия. Именно на этих шести параметрах сконцентрировались инженеры Mazda в стремлении к идеальному двигателю.
Основной параметр – степень сжатия. Степень сжатия у бензиновых двигателей составляет от 9,0 до 11,0, у автомобилей Mazda в среднем – 11,0. У спортивных автомобилей степень сжатия достигает 12,5. Очевидно, с повышением степени сжатия повышается термодинамический КПД, но это может привести к ненормальному сгоранию (детонации) и, как следствие, уменьшению крутящего момента. Для подавления детонации используется более богатая рабочая смесь и более позднее зажигание, но это приводит к ухудшению топливной экономичности и снижению крутящего момента.
Бензиновый двигатель SkyActiv-G
У бензинового двигателя SkyActiv-G степень сжатия составляет 14,0:1. Чтобы избежать детонации, инженеры Mazda разработали специальный выпускной коллектор со схемой 4-2-1 – выхлоп проходит по длинным приемным трубам и охлаждается лучше, что предотвращает возврат отработавших газов в камеру сгорания, а это приводит к снижению давления и подавлению детонации.
В днищах поршней SkyActiv-G предусмотрены выемки, которые позволяют развиваться начавшемуся сгоранию без преград. Новые топливные форсунки со множеством распылителей более качественно распределяют рабочую смесь. Система последовательного управления фазами газораспределения впуска и выпуска S-VT позволила снизить потери на всасывание. Потери на трение снизились на 30%. Облегчили двигатель – на 10%.
В результате этих модификаций крутящий момент нового бензинового двигателя по сравнению с 2,0-литровым мотором MZR с прямым впрыском увеличился на 15%, топливная экономичность – также на 15%, мощность составляет 155 л.с. Выбросы СО2 сократились на 15%. При этом автомобиль способен без проблем потреблять Аи-95.
Дизельный двигатель SkyActiv-D
У обычных дизелей высокая степень сжатия приводит к воспламенению еще до образования идеальной топливовоздушной смеси, сгорание происходит неравномерно, образуется сажа (если мало кислорода) или окись азота (если много). Однако низкая степень сжатия в дизельном моторе может привести к нестабильному сгоранию и пропускам воспламенения во время прогрева (при холодном пуске).
Инженерам Mazda удалось понизить степень сжатия 2,2-литрового дизеля MZR с 16,0:1 до 14,0:1 – самая низкая степень сжатия у дизельного мотора. В результате температура и давление в конце такта сжатия снижаются, сгорание происходит медленнее, за счет чего происходит лучшее смешение топлива и воздуха, максимальное давление в камере сгорания – на 20% ниже, чем у современных аналогов. Снизились потери на трение, поэтому появилась возможность использовать алюминий, что привело к сокращению массы мотора.
Чтобы избежать пропусков зажигания при холодном пуске, установили керамические свечи накаливания и многоточечные пьезоэлектрические форсунки, новую систему изменения степени открытия клапанов. Часть отработавших газов отправляется в соседние цилиндры.
В результате расход топлива удалось снизить на 20%, увеличился крутящий момент – при мощности в 175 л.с. он составляет 420 Н·м при 2000 об/мин. За счет установки двуступенчатого турбонаддува удалось минимизировать турбояму.
По поводу перспектив дизеля на российском рынке пока точно ничего не известно. Ни для кого не секрет, что дизельные модели многие компании в России продавать отказываются, мотивируя это низким качеством топлива. Однако, как сообщил Андрей Глазков, директор по маркетингу Mazda Motor Rus, в декабре в РФ все же привезут на испытания автомобиль с дизелем SkyActiv-D.
Что касается разработок в области гибридных технологий, то Mazda их вовсе не отвергает. Совместить электромотор с ДВС не проблема, а если обычный двигатель будет эффективнее и экономичнее, то и КПД гибридной установки тоже будет выше.
И дизельный, и бензиновый двигатели SkyActiv соответствуют экологическому стандарту Евро-6.
Трансмиссии
Автоматическая трансмиссия SkyActiv-Drive
«Самая лучшая трансмиссия – та, которой нет, как у троллейбуса» – с такой шутки начался рассказ о новых «автоматах» Mazda SkyActiv.
Идеальная автоматическая трансмиссия должна обеспечивать плавное переключение передач, мощное и ровное ускорение, быстрый отклик на педаль акселератора и, конечно, топливную экономичность.
Сегодня существуют три основных типа «автоматов»: роботизированная КПП с двумя сцеплениями, бесступенчатый вариатор CVT и традиционный «автомат» с гидротрансформатором. Японцы и здесь решили пойти по собственному пути.
За основу взяли шестиступенчатый «автомат»: гидротрансформатор с широчайшим диапазоном блокировки для всех шести ступеней. Если в обычной автоматической трансмиссии гидротрансформатор заблокирован 64% времени, то в SkyActiv-Drive – 89%. Обычно увеличение диапазона блокировки гидротрансформатора приводит к ухудшению показателей шума, вибраций и плавности работы. SkyActiv-Drive использует гидротрансформатор только в зоне очень малых оборотов, его размеры были уменьшены, а на освободившееся место установили более крупный демпфер и многодисковую муфту блокировки с поршневым приводом.
Расход топлива удалось снизить на 4-7%. «Автомат» SkyActiv-Drive будет предлагаться как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями.
Механическая трансмиссия SkyActiv-MT
За образец идеальной механической трансмиссии Mazda принимает коробку родстера MX-5. И не поспоришь: работать с ней – сплошное удовольствие. Первое – сократили до 45 мм ходы рычага КПП, уменьшили сопротивление движению рычага – передачи включаются четко и эмоционально. Основные отличия конструкции – укороченный промежуточный вал и отсутствие отдельной оси для шестерни передачи заднего хода; вес снизился на 7-16% (в зависимости от двигателя).
SkyActiv-Body и SkyActiv-Chassis: кузов и шасси
Основная задача при работе над кузовом и шасси – снижение веса. Более легкий автомобиль при тех же технических составляющих обладает лучшей разгонной и тормозной динамикой и большей маневренностью и, само собой, лучшей топливной экономичностью.
Позволить себе использовать для облегчения конструкции дорогостоящие алюминий и углепластик Mazda не могла – это бы отразилось на потребительской стоимости машин.
Конструкция кузова SkyActiv-Body состоит практически из одних прямых элементов, переходящих один в другой. Новые поперечные элементы подрамников повышают жесткость кузова. На жесткость кузова также играет увеличение числа сварочных точек. Брусья крыши соединяются при помощи клея, так что узел подается как единый компонент. Доля высокопрочных сталей выросла с 40% до 60%.
Что касается шасси, то тут Mazda снова пытается добиться идеала и минимизировать конфликт интересов: совместить отличную управляемость, азартное вождение, устойчивость и высокий уровень ездового комфорта. В настоящее время модели Mazda жертвуют комфортом в пользу управляемости.
SkyActiv-Chassis получило новое рулевое управление с электроусилителем, иную геометрию элементов задней подвески; увеличены степень демпфирования амортизаторов и жесткость верхних опор.
В результате доработок кузов удалось облегчить на 8%, шасси – на 14%.
Начало – Mazda CX-5
Все технологии SkyActiv серийно впервые будут применены в компактном кроссовере СХ-5. Автомобиль будет представлен на автошоу во Франкфурте, а европейские продажи начнутся именно с России – уже в начале 2012 года. К нам привезут автомобили с 2,0-литровым бензиновым мотором, агрегированным с «механикой» или «автоматом» и передним приводом, и с 2,0-литровым бензиновым мотором с «автоматом» и полным приводом. Насчет дизелей, напоминаем, пока ничего не решено, в декабре привезут испытательный образец. Стоимость автомобиля пока не сообщается, но, как отметил Андрей Глазков, цена СХ-5 будет на уровне конкурентов – VW Tiguan, Toyota RAV4 и других кроссоверов.
Светлана Алеева
Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям — ДРАЙВ
Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.
Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.
В цикле Аткинсона впускные клапаны закрываются позже обычного. Так фактическая степень сжатия смеси оказывается ниже, чем геометрическая. А вот расширение происходит полное. В результате удаётся лучше использовать энергию горячих газов и выбрасывать меньше полезного тепла в выхлопную трубу. Правда, для корректной работы такого цикла на разных нагрузках и оборотах не обойтись без фазовращателей.
Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном месте — вблизи выпускных клапанов. Выпускной коллектор построен по схеме 4-2-1, что улучшило очистку цилиндров от отработанных газов. А на такте впуска в цилиндре формируется вертикальный вихрь, который влияет на распределение смеси и полноту её сгорания.
На рисунке показаны выпускной коллектор новой «четвёрки» и вихрь на впуске, который генерируется специально подобранной формой впускных каналов.
Помимо этого, сразу несколько мер были приняты для снижения тепловых и механических потерь. Это изменяемые фазы на впуске с электрическим фазовращателем VVT-iE, рециркуляция отработанных газов с охлаждением, полимерное покрытие подшипников, специальная обработка поверхности юбки поршня, цепной привод системы газораспределения с низким трением, ремень для привода навесного оборудования с низкими внутренними потерями при изгибе.
Интересно, что мотор 1.8 2ZR-FXE на нынешнем Приусе показывает тепловой КПД 38,5% при степени сжатия 13:1. Но то агрегат, специально созданный под гибридную систему, которая может уравновесить недостатки цикла Аткинсона (скажем, неустойчивость работы на малых оборотах).Практически все эти приёмы использованы и на литровом агрегате, который Toyota спроектировала в кооперации с Daihatsu. Степень сжатия тут пониже (11,5:1), но у его предшественника (1KR-FE) было 10,5. Японцы утверждают, что одна только замена прежних моторов на новые принесёт экономию топлива в 10%. А в сочетании с несколькими другими мерами (вроде системы start/stop) — до 15% (с двигателем 1.3) и до 30% (с 1.0).
Мы полагаем, что улучшенный литровый агрегат после запуска на поток достанется новому малышу Aygo, а заодно и его собратьям Peugeot 108 и Citroen C1. Наверняка его подарят и обновлённому Ярису.Ремонт ДВС
Ремонт ДВСТехнический центр Hyundai, Chevrolet и Kia
Тех. центр на ул. Мясникова, 58
Тех. Центр на Локомотивной, 1в
Технический центр Hyundai, Chevrolet и Kia
ул. Локомотивная, 1В
(863) 296-39-33
Мы в соц.сетях:
Ремонт ДВС
На базе наших Тех. Центров «КПД-авто» мы производим ремонт ДВС, устанавливаемых на автомобили Hyundai и Kia, следующих типов:
- G4EC, G4ED, G4EA – Accent (ТаГАЗ), Getz
- S6P – Rio I, Spectra
- G4EE – Rio II
- G4JP, G4JS, G6BA – Sonata (ТаГАЗ), Sonata 2,4
- G46C, G4EA – Sportage II, Tucson (2004-2010)
- G4KD, G4NA, G4KH (GDI) – Sportage III, IX35
- G4NB – Elantra (1,8)
- G4FC, G4FG, G4FA – Rio III, Solaris, Cerato
- G4KE, G4KJ – Sorento, Optima, Santa-Fe
- G4KA, G4KC – Sonata NF
Со всеми этими моторами мы уже производили успешные ремонты и накопили большой профессиональный опыт при их восстановлении. Многие современные моторы удается восстановить только при использовании технологии гильзования блока двигателя, и это стандартная операция при ремонте. Более того, как показывает наш опыт, именно гильзование блока делает двигатель более долговечным и надежным, в дальнейшей эксплуатации.
Также, накоплен большой опыт в подборе и выборе запасных частей, при сборке двигателей, и мы можем рекомендовать уже проверенные решения.
После выполнения всех работ мы предоставляем полноценную гарантию на ДВС сроком 1 год или 20000 км пробега.
Ремонт современного мотора сложный и трудоемкий процесс, требующий обширных знаний и большого практического опыта. При этом используется только профессиональное оборудование и инструмент, чтобы качество и надежность не вызывали сомнений.
Мы занимаемся ремонтом моторов устанавливаемых, только, на машинах Hyundai и Kia. И можем называть себя профессионалами при ремонте, именно этих двигателей.
Доверяйте ремонт профессионалам, а не случайным людям.
Вы можете проконсультироваться по телефонам (863) 251-44-44, +7 928 226-75-75 и записаться на первичную диагностику. Наши специалисты предоставят вам полную информацию, о всех этапах работ, и сроках их проведения.
05.10.2020С радостью вам сообщаем, что мы открыли наш новый Технический Центр «КПД-авто» по адресу: Локомотивная 1В. Специализация по маркам Hyundai, Kia, Chevrolet, которыми мы занимаемся уже более 10 лет.
16.12.2019Уважаемые клиенты!
В Воронеже появился клон нашего сервиса.
В нашем филиале установлен и введен в эксплуатацию еще один абсолютно новый стенд проверки и регулировки сход-развала!
22.10.2019У нас отличная новость для владельцев полноприводных машин, марок Hyundai и Kia!
14.09.2017Мы организовали свой собственный цех по ремонту АКПП устанавливаемых на автомобили марок Hyundai, Kia, Chevrolet. АКПП достаточно сложный агрегат и требует особого внимания при эксплуатации.
© 2008-2021 «КПД Авто»
Консультации:
Мы в соц.сетях:
*Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации о наличии и стоимости указанных товаров и (или) услуг, пожалуйста, обращайтесь к менеджерам отдела клиентского обслуживания.
Бензиновый двигатель Toyota достигает 38 процентов тепловой эффективности
Большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сожженного топлива в полезную энергию.
Эффективность, с которой они это делают, измеряется термином «тепловой КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД. Дизели обычно дороже — в некоторых случаях приближается к 40 процентам.
Toyota разработала новый бензиновый двигатель, максимальный тепловой КПД которого, по ее утверждению, составляет 38 процентов, что выше, чем у любого другого двигателя внутреннего сгорания, производимого серийно.
Новые агрегаты объемом 1,0 и 1,3 литра должны обеспечить на 10-15 процентов большую экономию, чем их существующие эквиваленты.
Toyota применила к своим двигателям несколько знакомых технологий для достижения такого уровня эффективности.
Один из них — это тот же цикл сгорания, который используется в гибридных моделях фирмы — цикл Аткинсона.
Используемые на 1,3-литровом двигателе, двигатели с циклом Аткинсона обычно имеют регулируемые фазы газораспределения, что позволяет впускным клапанам оставаться открытыми в начале такта сжатия.Более низкая плотность воздуха приводит к более эффективному сжиганию топлива и более высокому тепловому КПД.
Обычно двигателям не хватает мощности по сравнению с обычными двигателями с циклом Отто — в гибридах это компенсируется дополнительной мощностью от электродвигателя.
БОЛЬШЕ: Toyota Prius 2015: следующий гибрид стремится к расходу 55 миль на галлон, больше места, лучше управляемость
В 1,3-литровом двигателе степень сжатия 13,5 компенсирует некоторую потерю компрессии в течение цикла двигателя — теоретически двигатель должен работать аналогично обычному 1.3-литровый агрегат.
Модернизированные впускные каналы, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция охлажденных выхлопных газов также используются для повышения эффективности двигателя.
В 1,0-литровом двигателе, разработанном совместно с японским партнером Toyota Daihatsu, аналогичные двигатели (на этот раз без цикла Аткинсона) обеспечивают 37-процентный тепловой КПД.
Тем не менее, благодаря использованию технологии стоп-старт, новый двигатель на 30 процентов эффективнее эквивалентных 1,0-литровых двигателей в японском испытательном цикле JC08, ориентированном на город.
Toyota не подтвердила, в каких транспортных средствах будут использоваться новые двигатели и появится ли какая-либо силовая установка в США. Вероятно, несколько автомобилей для японского рынка и избранные модели, такие как Yaris и Aygo, проданные за рубежом, в конечном итоге получат выгоду от этих единиц.
Что это действительно показывает, так это то, что есть еще много возможностей для улучшения обычных бензиновых двигателей.
Обычные двигатели внутреннего сгорания будут оставаться доминирующими на автомобильном транспорте по крайней мере в течение следующих нескольких десятилетий, поэтому любые усилия по их усовершенствованию тем временем заслуживают одобрения.
_________________________________________
Подпишитесь на GreenCarReports в Facebook, Twitter и Google+
Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания
Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания невероятно неэффективны. Большинство дизельных двигателей не имеют даже 50% теплового КПД. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.
И автомобили с бензиновым двигателем еще на более неэффективны, значительно менее эффективны.
Хотя это может звучать так, как будто транспортное средство, которое только 50% тепловой энергии, производимой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят около 80% энергии, производимой при сгорании топлива. Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% производимой энергии из выхлопной трубы или теряют эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.
Причины такой неэффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.
«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс выделяет тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию », — сообщает X-Engineer.org. Но большая часть производимой энергии теряется.Большая часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.
Хотя даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют довольно длинного объяснения термодинамики, объяснение длины подачи Twitter легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом вне двигателя определяет тепловой КПД — т.е. неэффективность двигателя внутреннего сгорания.
Что такое термический КПД и каковы законы термодинамики
КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД.Термический КПД является следствием термодинамики. Существует как определение, так и формула теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «Тепловая эффективность — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».
Строгое определение термического КПД, согласно Словарю Мерриама-Вебстера, — это «отношение тепла, используемого тепловым двигателем, к общему количеству единиц тепла в потребляемом топливе». Более практичное определение термического КПД непрофессионала — это влияние количества энергии, производимой при сжигании топлива двигателем внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.
Формула теплового КПД, однако, может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия — это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, подаваемого в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на входные данные является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое затрачивается на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, двигателей с поршнями.
Есть два закона термодинамики, которые определяют тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.
Первый закон термодинамики
Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, выходная энергия не может превышать вложенную энергию. Другими словами, энергия, производимая двигателем — будь то потеря энергии или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше, чем энергетический потенциал топлива, подаваемого в камеру сгорания.
Первый закон термодинамики интуитивно понятен.Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги как метафору первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей из доллара.
В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.
Второй закон термодинамики
Согласно второму закону термодинамики, 100% тепловой КПД достичь невозможно.
Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать в работу около 100% подводимого тепла. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло.”
Чрезвычайно большой процент энергии, производимой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии — причина того, что двигатель нагревается. Нагрев двигателя является результатом теплопроводной передачи тепла. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, нагреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.
Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выдувает выхлоп, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.
Тепло — энергия — потери и теорема Карно
Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии.Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — это факт, доказанный теоремой Карно.
Предел Карно — это количество энергии, производимой во время сгорания, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже предел Карно .
Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?
Тепловой КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. Несмотря на то, что есть компании, которые предпринимают шаги по повышению теплового КПД бензиновых двигателей, даже сопоставить КПД сгорания старых дизельных двигателей чрезвычайно сложно. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить термический КПД своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сожженного топлива в полезную энергию.Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД.
Дизель обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, максимальный тепловой КПД которого, по утверждению компании, составляет 38 процентов, тепловой КПД «выше, чем у любого другого двигателя внутреннего сгорания, выпускаемого серийно».”
Другой взгляд на термический КПД связан с расходами на топливо. На каждый доллар бензина, покупаемый человеком, почти 80 центов теряется в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически заставляют бензиновый двигатель двигаться дальше. Хотя все еще шокирующе низко, даже обычные дизельные двигатели тратят не менее 40 центов за доллар на механическое использование.
Хотя 60 центов на каждый доллар дизельного топлива теряются из-за тепловой неэффективности, это все равно вдвое лучше, чем у среднего бензинового двигателя.
Почему тепловая эффективность дизельного двигателя выше, чем у бензинового двигателя
В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, в то время как дизельные двигатели могут достигать теплового КПД почти 50%. «Современные производимые двигатели с искровым зажиганием работают с тепловым КПД тормозов (BTE) около 30–36% [12], двигатели с воспламенением от сжатия уже давно признаны одним из самых эффективных силовых агрегатов, нынешние BTE дизельных двигателей могут достичь до 40–47%.
Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сжигании обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи со стороны дорогой гибридной системы.”
Тепловой КПД и степень сгорания
В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда он приближается к точке, где топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.
Степень сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8: 1 до 12: 1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если только октановое число топлива не является высоким, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, в отличие от сжатия в результате воздействия искры.
Дизельные двигатели имеют гораздо более высокую степень сжатия. На то есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели — это двигатели сжатия.Сжатие — это то, что заставляет дизельное топливо в камере сгорания взорваться. В двигателе с компрессионным двигателем нет искры, которая воспламеняет дизельное топливо. Кроме того, у дизельных двигателей более высокая степень сжатия, поскольку дизельное топливо является более стабильным топливом. Для зажигания дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14: 1 до 25: 1.
Решения для повышения эффективности двигателя
Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения теплового КПД двигателя.Конструктивные и технологические ограничения не позволяют владельцам вносить существенные улучшения в транспортное средство с точки зрения теплового КПД. Тем не менее, — можно улучшить в отношении эффективности сгорания.
Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, для тяжелого топлива с высокой плотностью энергии — дизельного топлива, мазута, бункерного топлива и т. Д. — существуют доступные технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания.Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводорода, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.
Топливо с низкой плотностью энергии, такое как бензин и природный газ, обычно имеет постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелым топливом, поскольку оно состоит из более мелких короткоцепочечных углеводородных молекул. Но более крупные и длинные углеводородные молекулы и цепочки молекул в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха.Без воздуха углеводороды не загорятся.
Топливные катализаторы — одно из самых простых средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в благородных металлах разрушают топливные кластеры, деполяризуя присущие им заряды, которые заставляют углеводороды объединяться в кластеры.
Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания — и, следовательно, топливную эффективность — от 3% до 8% в внедорожных транспортных средствах. На тяжелой технике повышение эффективности использования топлива еще более резкое.При добавлении топливного катализатора Rentar в топку или котел, работающие на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% или более.
Несмотря на то, что трудно предотвратить потери энергии, присущие всем двигателям внутреннего сгорания, все же можно повысить эффективность использования топлива. Пока мы не сможем производить двигатели с более высоким тепловым КПД, лучшее, что мы можем сделать, — это повысить КПД сгорания.
Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания
Также необходимы способы улучшения воспламеняемости обедненной смеси в бензиновых двигателях. То есть способность сжигать реальную бедную смесь ограничена топливом. Если смесь бензина с воздухом слишком бедная, пламя не будет иметь достаточной скорости, чтобы пройти через цилиндр за время, разрешенное частотой вращения двигателя, которую хочет водитель, или пламя даже не запустит пропуски зажигания в цилиндре, и тогда катализатор сработает. окислить огромное количество UHC и, следовательно, может перегреться (что может означать, что вам придется покупать новый катализатор).
Фон:
Первый курс термодинамики может научить эффективности цикла Отто (который является идеальным циклом, используемым для моделирования бензинового двигателя с искровым зажиганием). Такой курс выведет следующее уравнение для эффективности цикла Отто:
ч
= 1 1 / r v г-1Степень сжатия двигателя r v . Собственно, это соотношение объемов. Это отношение объема в цилиндре, когда поршень находится внизу цилиндра, к объему в цилиндре, когда поршень находится в его верхнем положении: r v = V внизу / V вверху .
У большинства автомобильных двигателей степень сжатия находится в диапазоне от 9 до 10,5. Отметим: чем выше степень сжатия, тем выше КПД! Параметр g представляет собой отношение удельной теплоемкости, т. Е. Удельной теплоемкости при постоянном давлении и удельной теплоемкости при постоянном объеме. На практике чем выше g, тем выше КПД. Такой газ, как гелий или аргон, состоящий только из атомов, имеет максимально возможное значение g — 1,67. С другой стороны, комнатный воздух, состоящий в основном из молекул O 2 и N 2 , имеет г 1.4. Топливный пар имеет на g меньше, чем воздух. Смесь воздуха и паров бензина, вводимая в двигатель, имеет g около 1,35. Поскольку эта смесь сжимается и нагревается во время такта сжатия, ее g падает примерно до 1,33. При сгорании (когда поршень находится около своего верхнего положения) топливо окисляется до CO 2 (и некоторого количества CO) и H 2 O, и g падает дальше. Он падает в диапазоне 1,20–1,25. Общий эффективный g для всего цикла для использования в приведенном выше уравнении эффективности составляет около 1.27 .
Практическое правило: чем сложнее молекулы, тем меньше g. Нижний предел равен 1. Атомы аргона и гелия только перемещаются, то есть они движутся по прямой траектории, пока не встретят другой атом. Молекулы комнатного воздуха перемещаются и вращаются (около двух своих осей). Горячий воздух начинает вибрировать (как два ядра, соединенных пружиной). Молекулы паров топлива имеют много возможностей вибрировать даже при комнатной температуре. Продукты сгорания вибрируют.Тем не менее, только трансляция молекул НАДВИГАЕТСЯ на поршень. Другие режимы молекулярного движения ничего не делают для толкания поршня. Таким образом, когда g падает (что указывает на усиление вибрации молекул), h падает. Бедный двигатель (т. Е. Двигатель с избыточным воздухом) имеет более холодный процесс сгорания и больше воздуха по сравнению с топливом, чем типичный двигатель с химически правильной смесью. Таким образом, его g больше, а h больше.
Подставьте g = 1,27 в приведенное выше уравнение эффективности, предположите, что r v = 10, и вы получите h = 0.46. Умножьте это примерно на 0,75, чтобы учесть эффекты реального цикла (например, время, необходимое для горения, потери тепла в охлаждающую жидкость и выпускные клапаны, которые открываются до того, как поршень полностью достигнет нижнего положения), и вы получите h = 0,35. Это эффективность (указанная выше) использования химической энергии топлива для толкания поршней. Умножьте это на механический КПД двигателя, который учитывает механическое трение в двигателе и работу по перекачке воздуха (и топлива), которую необходимо выполнить, и вы получите конечный или общий КПД двигателя.Конечно, механический КПД зависит от условий вождения. Чем выше частота вращения двигателя, тем больше потери на трение. Чем больше закрыта дроссельная заслонка (т. Е. Чем дальше вы снимаете ногу с педали), тем выше насосные потери. Для типичного вождения в США общий КПД двигателя составляет около 20%. Обратите внимание, ваша педаль на самом деле не педаль газа, это педаль воздуха! Добавьте к этому механические потери на трение трансмиссии и реальной оси (или потери на трение трансмиссии) и утечку некоторых основных принадлежностей, и вы получите 15% -ный коэффициент расхода топлива на колеса для типичного автомобиля, управляемого в США.
Однако это ограничение не распространяется на дизельный двигатель.Он работает с высокой степенью сжатия. Отчасти этим объясняется его высокая эффективность. Он также работает на обедненной смеси, и его перекачивающая работа невысока, что еще больше увеличивает его эффективность по сравнению с бензиновым двигателем. Человечеству нужны тихие, бездымные дизели без запаха!
Wärtsilä 31 самый эффективный двигатель в мире
Добро пожаловать в новое поколение двигателей. Wärtsilä 31 устанавливает новый стандарт энергоэффективности, обеспечивая самый низкий уровень расхода топлива среди всех четырехтактных двигателей в мире.Он также предлагает беспрецедентный уровень эксплуатационной гибкости и может быть легко адаптирован для работы с различными типами топлива и рабочими профилями. В течение всего срока службы двигателя Wärtsilä 31 вы получите лучшую поддержку по запасным частям, обслуживанию на месте, техническим вопросам, модернизации и соглашениям об обслуживании. Wärtsilä 31 — это просто самый экономичный, удобный и универсальный двигатель из когда-либо разработанных.
Wärtsilä 31 — это не один двигатель, а платформа, состоящая из трех различных продуктов — дизельного двигателя, газового двигателя и двухтопливного двигателя.Двигатели могут работать на широком спектре доступных видов топлива, таких как тяжелое дизельное топливо (HFO), судовое дизельное топливо (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (СПГ), этановый газ (LEG) или нефть. газ (LPG).
Ульф Остранд, директор Wärtsilä по программам разработки продуктов, курировал внедрение всех новых технологий, содержащихся в новом двигателе. Он объясняет, что это первый раз, когда платформа двигателя разрабатывается одновременно для всех вариантов его топлива.
«Предыдущие двигатели изначально разрабатывались для работы на дизельном топливе, а затем были адаптированы для работы на газе», — говорит он. «Это сделало невозможным когда-либо полностью оптимизировать их характеристики и топливную экономичность для газового или двухтопливного режимов».
«Это совершенно новый движок, который мы разработали с нуля», — добавляет Джулио Тирелли, директор по портфелю движков и приложениям. «Это результат почти десяти лет разработок и содержит самые передовые технологии, открывающие двери для дальнейших разработок.”
Топливная эффективность
Новый Wärtsilä 31 — самый экономичный четырехтактный двигатель, доступный в настоящее время на рынке. Дизельная версия двигателя потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок. В оптимальной точке это число может снизиться до 165 г / кВтч. В пересчете на эксплуатационные расходы ежедневная экономия на поставке эталонного буксира для обработки якорей (AHTS) составила бы около 10 000 евро в день в виде расходов на топливо.
«Повышение топливной эффективности такого масштаба никогда не достигалось за один раз», — говорит Остранд.«И мы сделали это за один присест».
«Сегодня топливная экономичность — это высший показатель технологического прогресса», — соглашается Тирелли. «И повышение производительности на 10 г / кВт · ч при запуске одного продукта — это значительное улучшение. Этот двигатель достиг такого уровня эффективности, который всего несколько лет назад считался физически невозможным ».
Ориентация на экологичность
Поскольку выбросы вызваны сжиганием топлива, вполне естественно, что двигатель, потребляющий значительно меньше топлива, также производит значительно меньше выбросов.Совершенно новый Wärtsilä 31 не только соответствует существующему стандарту выбросов IMO Tier II, но и соответствует законодательству IMO Tier III, которое вступит в силу в 2016 году. Кроме того, двухтопливная концепция позволяет судам легко переключаться с дизельного топлива на газ. , в зависимости от того, где они работают.
«Будучи лидером на рынке по топливной эффективности, судно будет производить значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. В двухтопливной версии он может работать на дизельном топливе в зоне Tier II, а затем переключаться на газ при входе в зону Tier III (например, в зону контроля выбросов или ECA).Переключение происходит мгновенно — нет необходимости ждать переключения — судно может просто продолжать движение с той же скоростью ».
Меньше обслуживания, больше времени безотказной работы
Что касается технического обслуживания, то затраты, связанные с новым Wärtsilä 31, были снижены примерно на 20%. В то время как стандартные двигатели аналогичной мощности требуют первой остановки для технического обслуживания примерно через 1000 часов работы, первая остановка на новом двигателе происходит через 8000 часов.
«Поскольку мы знаем, насколько важно время безотказной работы для прибыльности наших клиентов, сокращение потребности в техническом обслуживании было одним из наших главных приоритетов для этого нового двигателя», — объясняет Остранд.«Мало того, что его компоненты имеют более длительный срок службы, мы также вложили много энергии в сокращение времени, необходимого для его обслуживания».
Удаленный доступ к эксплуатационным данным обеспечивает расширенную поддержку и немедленное реагирование со стороны Wärtsilä для обеспечения безопасной эксплуатации судна или электростанции независимо от ее местонахождения. Выделенный эксперт с техническим опытом высшего уровня дает рекомендации экипажу по телефону и электронной почте. Это сокращает количество внеплановых посещений на борту.
Модульная конструкция
Модульная конструкция нового Wärtsilä 31 позволяет легко снимать и заменять целые модули двигателя. Это сокращает время обслуживания, поскольку модуль можно просто заменить, вместо того, чтобы разбирать каждую отдельную часть.
«Этот переход от отдельных запасных частей к« сменным блокам »- что означает замену целых блоков или модулей, таких как силовые блоки, форсунки и топливные насосы высокого давления — способствует более эффективному обслуживанию и максимальному увеличению времени безотказной работы», — говорит Остранд.
Когда двигатель требует технического обслуживания, время простоя будет значительно сокращено, поскольку весь модуль можно просто вынуть и заменить на заменяемый. Модули обмена перечислены в руководстве по запасным частям и доступны на складе.
Операционная гибкость
Операционная гибкость — основная проблема для морских приложений, поскольку многие суда работают при низкой нагрузке, но также требуют возможности быстрого набора мощности. Операторам необходимо убедиться, что они могут работать при низких нагрузках, обеспечивая при этом максимальную топливную эффективность и рентабельность.Wärtsilä 31 можно легко адаптировать к различным рабочим профилям, с различными настройками, благодаря передовой системе автоматизации двигателя в сочетании с гибкостью систем впрыска топлива и впуска воздуха. Дальнейшие улучшения для операций с низкой нагрузкой также могут быть достигнуты путем установки пакета с низкой эффективностью нагрузки, который включает некоторые механические изменения.
«Благодаря чрезвычайно высокому уровню автоматизации мы смогли оптимизировать несколько моментов, которые мы не смогли бы адаптировать в прошлом», — объясняет Тирелли.
«Многие механические системы не могут быть настроены для различных рабочих профилей, но современные электронные и гидравлические системы легко адаптировать к рабочим потребностям клиента», — соглашается Остранд, добавляя, что, если владелец хочет изменить способ существующее судно работает, его всегда можно перенастроить под новые требования.
Двигатель, ориентированный на будущее
Модульная конструкция не только способствует быстрому ремонту, но и поддерживает будущие обновления. По словам Ульфа Остранда, это делает двигатель «перспективным»:
«В будущем, когда мы разработаем новую технологию, судовладелец может просто установить модуль, содержащий обновление.Это будет особенно полезно при введении новых стандартов выбросов, но может также применяться к будущим видам топлива. Мы разработали продукт, который можно легко адаптировать к любым будущим возможностям. Я называю это двигателем, отвечающим требованиям завтрашнего дня ».
Три двигателя, одна общая платформа
Работа по разработке нового Wärtsilä 31 началась еще в 2010 году. Инженеры Wärtsilä решили создать платформу двигателя с высоким уровнем общности между тремя вариантами двигателей.
«Три двигателя почти идентичны», — говорит Джулио Тирелли.«Техник, обученный работе с одним, обнаружит, что очень легко управлять двумя другими, в то время как владельцы более чем одного типа двигателей уменьшат запасы запчастей благодаря высокой унифицированности деталей. Кроме того, двигатель, который изначально был куплен, например, для работы на дизельном топливе, можно легко адаптировать к работе в качестве газового или двухтопливного двигателя, если требования заказчика изменятся в течение срока службы продукта ».
«Благодаря модульной конструкции и использованию общих технологий в различных вариантах, двигатель может быть преобразован из одного варианта в другой с незначительными механическими изменениями», — добавляет Остранд.«Это делает его надежным выбором на будущее, независимо от изменений в наличии топлива или возможных серьезных колебаний цен на топливо».
Подробнее о Wärtsilä 31
Меньше энергии, затрат, времени простоя и выбросов. Больше гибкости и времени безотказной работы.
Энергоэффективность. Потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок, обеспечивая ежедневную экономию до 10 000 евро.
Топливная гибкость. Wärtsilä 31 может работать на широком спектре видов топлива: мазут (HFO), дизельное топливо для судов (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (LNG), этановый газ (LEG) или нефтяной газ. (Сжиженный нефтяной газ).
Экономическая эффективность . Затраты на техническое обслуживание снизились примерно на 20%.
Меньше обслуживания , больше времени безотказной работы. Первая остановка для технического обслуживания наступает через 8 000 часов по сравнению с 1 000 часов для стандартных двигателей аналогичной мощности.Наличие обменных модулей сокращает время простоя для обслуживания.
Операционная гибкость. Полностью работоспособен, везде. Двухтопливный двигатель позволяет легко переключаться на газ при въезде в зону Tier III без каких-либо изменений скорости. Wärtsilä 31 можно легко адаптировать к различным рабочим профилям и любым будущим возможностям.
Меньше выбросов. Значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. Полностью соответствует правилам IMO Tier III, вступающим в силу в 2016 году.
Усовершенствованные двигатели внутреннего сгоранияУсовершенствованные двигатели внутреннего сгорания
Кристофер Гольденштейн
9 декабря 2011 г.
Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2011 г.
Введение
В 2009 году транспортный сектор США потребляли 13,3 миллиона баррелей нефти (558,6 миллиона галлонов) каждый день. Это эквивалентно потреблению почти 1 миллиона галлонов масла каждый раз. 2.5 минут и составляет 70% от общего количества нефти, потребляемой в США. [1] С национальными целями сокращения выбросов парниковых газов и зависимости по зарубежной нефти очевидно, что повышение эффективности двигатели внутреннего сгорания, используемые в транспортной отрасли, являются целью первостепенное значение. В этой статье основное внимание будет уделено фундаментальной проблеме. ограничение эффективности таких двигателей и обсуждение потенциальный выигрыш в эффективности Воспламенение от однородного заряда от сжатия (HCCI) двигатели и двигатели с импульсной детонацией (PDE) могут привести к транспортная промышленность.
Проблема эффективности
Критика двигателей внутреннего сгорания, в том, что они неэффективны. Например, усовершенствованное внутреннее сгорание двигатели современных автомобилей имеют максимальную тепловую эффективность около 35-40% для бензина и 40-45% для дизельного топлива. Массивный судовой дизель двигатели обладают тепловым КПД более 60%, однако эти двигатели в этом отношении исключительны. С учетом сказанного, большинство людей Интересно, почему инженеры не могут разработать более эффективные двигатели
Проблема в том, что 2-й закон термодинамика ограничивает эффективность всех двигателей внутреннего сгорания. В 1824 г. Сади Карно показал, что наиболее эффективный цикл для тепловой машины — это тот, который не генерирует энтропию. Самый простой и, пожалуй, самый сбивающее с толку определение энтропии состоит в том, что это метрика для количественной оценки хаос системы, определяемый постоянной Больцмана, умноженной на натуральный логарифм кратности системы. Для макроскопических систем это более уместно рассматривать энтропию как термодинамическую величину, которая описывает энергию, необходимую для организации изолированного, не реагирующего система частиц в их состояние равновесия.В результате любые процесс, который генерирует энтропию, уменьшает количество энергии, которое может быть извлекается из системы как полезная работа. Карно показал, что максимальная КПД такой тепловой машины составляет:
n th = 1 — T C / T H, где n th — тепловой КПД, T C — температура холодного резервуара и T H — температура горячего резервуара.С типичными двигателями внутреннего сгорания работая в диапазоне от 1750 ° K до 298 ° K, это уравнение утверждает, что максимальный КПД такого двигателя составляет 83%. Вдруг морской дизели с КПД 60% выглядят неплохо.
Предел эффективности Карно представляет собой Святой Грааль конструкции двигателя, и это никогда не будет достигнуто на практике, потому что все двигатели внутреннего сгорания генерируют энтропию за счет трения, химического перемешивания, тепла перенос через конечные градиенты температуры, и процесс горения Сам по себе назвать лишь несколько механизмов.С учетом сказанного цель каждого Разработчик двигателя должен разработать двигатель, который минимизирует энтропию поколение.
Двигатели, борющиеся со вторым законом
Множество различных циклов двигателя, пытающихся уменьшить было предложено генерирование энтропии, однако в этой статье основное внимание уделяется два, которые недавно привлекли внимание в академических кругах и промышленности: HCCI двигатели и ПДД.
HCCI
ДвигателиHCCI — привлекательный тип внутреннего двигатель внутреннего сгорания, предлагающий потенциал для повышения эффективности и снижение выбросов.В этом устройстве топливо и воздух смешиваются при входе цилиндр и сжимают до самовоспламенения. HCCI горение происходит почти мгновенно, так как это ограничено химической кинетикой и не распространение фронта пламени или смешивание топлива с воздухом, как в случае искры зажигаемые (SI) и дизельные двигатели соответственно. В результате двигатели HCCI обычно механически ограничиваются очень бедными смесями (низкие нагрузки) до уменьшить серьезность резкого и быстрого возгорания.[2]
Поскольку вся смесь воспламеняется почти одновременно, Двигатели HCCI не ограничиваются разрушительным детонацией и могут поэтому работайте с дизельными двигателями с коэффициентами сжатия (CR> 15). [2] Это значительное улучшение конструкции по сравнению с обычными двигателями SI. потому что КПД двигателя увеличивается с увеличением степени сжатия. Например, термический КПД идеального цикла Отто улучшается по сравнению с От 47% до 56% при увеличении степени сжатия с 8 до 15.В кроме того, при работе на обедненной смеси рабочая жидкость в двигателях HCCI имеет более высокий коэффициент удельной теплоемкости, что также приводит к большему тепловому эффективность. Наконец, двигатели HCCI не дросселируют впускную смесь и таким образом, не платите штраф за дросселирование.
PDE
PDE обладают потенциалом в качестве более эффективной силовой установки. двигатель для самолета. PDE обычно состоят из детонационной трубы, действующей как камера сгорания, соединенная с каким-либо типом вытяжного устройства (е.грамм. сопло или турбина). Система искрового зажигания используется для инициирования пламя, которое распространяется вниз по трубе до дефлаграции и детонационный переход (DDT), при котором возникает сверхзвуковая детонационная волна проходит по оставшейся части трубки, нагревая и сжимая оставшаяся топливно-воздушная смесь. В результате большая часть топлива загорелся за детонационной волной при повышенной температуре воспламенения и давление. Затем газообразные продукты сгорания с высокой температурой и давлением расширен, чтобы произвести тягу.
Из анализа идеального цикла с учетом калорийности идеальные идеальные газы Roy et al. показал, что воздух-этилен детонационный цикл имел тепловой КПД 45,2% по сравнению с 43,5% и 31,5% для цикла Хамфи и Брайтона с одинаковой степенью сжатия. [3] Этот анализ показывает, что цикл PDE может быть на 43% больше эффективнее, чем цикл Брайтона, который представляет собой упрощенный цикл газовой турбины модель. Критики PDE сомневаются, что повышение эффективности предложенные этим элементарным анализом осуществимы, однако, исследователи продолжают изучать эти двигатели.
Выводы
Короче говоря, значительный акцент был сделан на разработка двигателей внутреннего сгорания с повышенным КПД которые потребляют обычное углеводородное топливо. Эти двигатели пытаются свести к минимуму термодинамически необратимые потери, двигатели внутреннего сгорания на протяжении десятилетий. Однако пока у этих двигателей есть потенциал для повышения эффективности, они чрезвычайно сложны. Представленный здесь анализ сильно упрощен и полезен только для понимание основных задействованных принципов.Нюансы, регулирующие процессы зажигания в обоих этих двигателях недостаточно изучены и освоение разработки этих двигателей потребует продвижения в современное понимание материаловедения, турбулентности, квантовой химия и оптическая диагностика для исследования этих двигателей.
© 2011 Кристофер Гольденштейн. Автор дает разрешение на копирование, распространение и отображение этой работы в неизмененном форма с указанием ссылки на автора только для некоммерческих целей.Все другие права, включая коммерческие, принадлежат автор.
Список литературы
[1] «Транспорт Статистический годовой отчет за 2010 г., Министерство транспорта США, 2011.
[2] F. Zhao et al. , ред., Однородный заряд Двигатели с воспламенением от сжатия (HCCI) , (Soc. Automotive Engineers Inc., 2003).
[3] G. D. Roy et al. , «Импульсная детонация «Движение: вызовы, текущее состояние и перспективы на будущее», Prog.Energy Combustion Sci. 30 , 545 (2004).
Mazda заявляет, что ее бензиновый двигатель следующего поколения будет работать чище, чем электромобиль
Mazda делает ставку в своем будущем на продолжение существования двигателя внутреннего сгорания, с такими умными технологиями, как искровое зажигание от сжатия, которое дебютирует в двигателе Skyactiv-X для серийных автомобилей нового поколения Mazda. Но автопроизводитель уже задумывается о будущем двигателей внутреннего сгорания. Automotive News сообщает, что Mazda работает над новым газовым двигателем Skyactiv-3, который, по словам автопроизводителя, будет таким же чистым, как электромобиль.
Выступая на техническом форуме в Токио, руководитель трансмиссии Mazda Мицуо Хитоми сказал, что главная цель Skyactiv-3 — повысить тепловой КПД двигателя примерно до 56 процентов. Если это будет достигнуто, двигатель Skyactiv станет первым поршневым двигателем внутреннего сгорания, который превращает большую часть энергии топлива в энергию, а не в отходы из-за трения или потери тепла.
На сегодняшний день самый термически эффективный автомобильный двигатель внутреннего сгорания принадлежит команде Mercedes-AMG Formula 1 с КПД 50 процентов; AMG надеется, что двигатель F1 в уличном суперкаре Project One достигнет 41-процентного теплового КПД, что сделает его самым термически эффективным двигателем для серийных автомобилей в истории. Automotive News говорит, что цель Mazda — 56% — это улучшение на 27% по сравнению с нынешними двигателями Mazda. Хитоми не указал сроки, когда Skyactiv-3 выйдет в производство, и не указал, как Mazda надеется добиться такого улучшения.
Заявление Mazda о том, что Skyactiv-3 будет более чистым в эксплуатации, чем полностью электрический автомобиль, является смелым и требует некоторой распаковки. Mazda основывает это утверждение на своих оценках выбросов «от скважины к колесам», подсчитывая загрязнение, вызванное как производством ископаемого топлива, так и выработкой электроэнергии коммунальными предприятиями, чтобы сравнить выбросы Skyactiv-3 и электромобилей. Такой анализ отражает реальность того, что в настоящее время большая часть электроэнергии вырабатывается за счет ископаемого топлива. В регионах, где электричество получают от ветра, солнца или гидроэлектроэнергии, электромобили явно выиграют спор, но сегодня это не так для многих потребителей.
Если Mazda сможет создать серийный двигатель внутреннего сгорания с тепловым КПД более 50 процентов, это будет невероятный подвиг — и, вероятно, поможет гарантировать дальнейшую выживаемость поршневого двигателя.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
(PDF) В поисках повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания
[6]% Кодзима,% S.,% Kiga,% S.,% Moteki,% K.,% Takahashi,% E.,% «Разработка%% a% New% 2L% Gasoline% VC-Turbo%
Engine% with% the% World’s % Первый% Переменный% Степень сжатия% Технология «,% SAE% Технический% Бумага%
2018-01-0371,% 2018%
%
[7]% Nissan% Motor% Corporation,%» Два% новых % двигателей,% включая% Advanced% Variable% Compression%
Turbo,% set% to% power% the% all-new% 2019% Nissan% Altima «% (пресс-релиз%),% доступно:%
https: // отдел новостей.nissan-global.com/releases/release-
487297034c80023008bd9722aa010086-два-новых-двигателя-включая-расширенную-переменную-
компрессионный турбо-набор-для питания-все-новый-2019-nissan-altima%
%
[8]% Falk% Müller,% Dietmar% Schulze,% Christian% Scheibe,% Stefanie% Hutzelmann,% Tobias% Matschine,%
rManfred% Balling% (Hilite),% «Connecting% rods% для% a% двухступенчатого% переменного% сжатия «,% Немецкий% Патент%
Заявка% No.% DE102013107127A1,% 2015%
%
[9]% FEV,%« Переменный% сжатия% », % 2018% (получено% из% http: // vcr.fev.com)%
%
[10]% Сеть% Saab%,% «Saab% Variable»,% получено% из%
http://saabnet.com/tsn/press/000318. html)%
%
[11]% Patowary% R.,% Baruah% DC,% Thermoelectric% конверсия%% отходов% тепла% от% IC% с приводом от двигателя%
автомобилей:% A% обзор% % его% приложения,% проблем,% и% решений,% Int% J% Energy% Res.% 2018; 1–20.,% doi:%
10.1002 / er.4021%
%
[12 ]% Champier,% Daniel,% Thermoelectric% Generators:% A% Review% of% Applications,% Energy% Convers.%
Manag% 2017,% 140,% 167–81%
%%
[13]% Wikimedia% commons,% Thermoelectric% Generator% Diagram,% доступно:%
https: //commons.wikimedia. org / wiki / File: Thermoelectric_Generator_Diagram.svg% (последний%
доступ:% 28% июль% 2018)%
%
[14]% Wikimedia% commons,% Peltier% element,% доступно:%
https : //commons.wikimedia.org/wiki/File: Peltierelement.png,% (последний% обращений:% 28% июль% 2018)%
%
[15]% LaGrandeur,% J.,% Crane,% D.,% Hung,% S.,% Mazar,% B.,% Eder,% A.,% Automotive% Waste% Heat% Conversion%
to% Electric% Power% с использованием% Skutterudite, % TAGS,% PbTe% и% BiTe,% Thermoelectrics,% 2006.% ICT’06.% 25th%
International% Conference% on.% IEEE,% 2006,% doi:% 10.1109 / ICT.2006.331220%
%
[16]% Zervos,% H.,% Waste% тепла% рекуперации% систем% в транспортных средствах,% Energy% Harvesting% Journal% -% Available%
at:% транспортных средств-00003754.asp> %% [доступ% фев% 2018]% % [17]% Mori,% M.,% Yamagami,% T.,% Sorazawa,% M.,% Miyabe,% T.% et% al.,% Simulation% of% Fuel% Economy% Эффективность% of% Exhaust% Heat% Recovery% System% Using% Thermoelectric% Generator% in% a% Series% Hybrid,% SAE% Int.% J. % Mater.% Manuf.% 4 (1): 1268-1276,% 2011,% doi:% https: //doi.org/10.4271/2011-01- 1335% % [18]% Брито,% F.,% Martins,% J.,% Hançer,% E.,% Antunes,% N.,% Goncalves,% L.M.,% Термоэлектрический% Выхлоп% Тепло% Улавливание% с% Теплом% На основе труб% Тепловое% Контроль,% J% Электро% Мат% 2015,% 44 (6),% 1984-1997% % [19]% Brito,% F.,% Alves,% A.,% M.% Pires,% J.,% Martins,% L.,% Martins,% J.,% Oliveira,% J.,% Teixeira,% J.,% Goncalves,% LM,% Hall,% M.,% Анализ% a% Температура% Контролируемый% Выхлоп% Термоэлектрический% Генератор% во время% a% Driving% Cycle,% J % Elect% Mat% 2016,% 45 (3),% 1846-1870.% % % [20]% Feng% Zhou,% Shailesh% N.% Joshi,% Raphael% Rhote-Vaney,% Ercan% M.% Dede,% A% review% and% future% application% of% Rankine% Cycle% к% легковому транспортному средству% для рекуперации% отработанного тепла% ,% Возобновляемые источники% и% Устойчивые источники энергии% Обзоры,% Объем% 75,% 2017,% 1008-102% %