Самый большой двс в мире: Самые большие двигатели в мире — Рамблер/авто

Огромный верхнеклапанный двигатель Marmon питал один карбюратор, как было принято в те времена.

Кадиллаковский двигатель с развалом всего 45 градусов и двумя карбюраторами имел рабочий объем 7,4 литра, был верхнеклапанным, с гидротолкателями клапанов. На прямой передаче машина уверенно, без рывков ускорялась аж с 4 км/ч. А главное было в том, что концерн GM, куда входила компания Cadillac, успешнее, чем небольшая фирма Marmon, обеспечивал высокое качество сложных агрегатов при относительно невысокой цене.

Серийные двигатели V16 в Старом Cвете так и не создали (о гоночных речь пойдет ниже), а V12 старались выпускать многие производители представительских моделей, в первую очередь — связанные с авиацией.

Так, немецкая моторостроительная компания Maybach, понемногу выпускавшая с 1921 года и автомобили, начала в 1928‑м производство модели Maybach 12, позднее получившей обозначение DS7 Zeppelin — в честь знаменитых дирижаблей, для которых Maybach делал двигатели. Верхнеклапанный мотор модели DS7 с развалом 60 градусов был создан на основе двух серийных «шестерок» и при рабочем объеме 7,0 литра развивал 150 сил при 2800 об/мин.

12-клапанный Triumph Rocket III работает на дизеле. Объем агрегата составляет 2294 м³, а размер силы вращения равен 221 нанометру — это достигается уже на 2750 оборотах в минуту. Сам мотоцикл считается лучшей разработкой Triumph Motorcycles Ltd и имеет 6 свечей зажигания.

С перевыпуском в 2005 году положение пробок двигателя изменилось: если ранее они располагались горизонтально, то теперь — вертикально. Начиная с 2006 года моторы у Triumph Rocket III имеют черный цвет, однако, клапанная крышка неизменно хромированная.

Copperhead на Dodge SRT Viper

Компания Dodge, являющаяся подразделением Chrysler Corporation, выпускает самый мощный на сегодня бензиновый двигатель, которой устанавливают в легковые спортивные автомобили Dodge SRT Viper. Объем движка мотора равен 8,4 л, он способен разогнаться до 100 км/ч всего за 3 секунды, а мощность Copperhead на Dodge SRT Viper составляет 640 лошадиных сил.

Двигатель для автомобиля разработан на базе мотора Magnum V10. В изначальном виде он подходил для пикапа, но был чрезмерно громоздким для спорткара. Одним из главных решений, принятых Chrysler Corporation при перевыпуске двигателя, было заменить материал из блоков, выполненных из чугуна, на алюминий. Вес мотора составляет около 350 кг. Крутящий момент — 630 нанометров при 3600 оборотах в минуту.

Слово «двигатель» используется в переносном значении во многих сферах жизни. Выражение «Реклама — двигатель торговли» − один из подтверждающих примеров.

Lycoming XR-7755

Lycoming XR-7755 — наиболее крупный самолетный поршневой двигатель из всех, которые когда-либо были построены США. 36 цилиндров, объем движка на 127 л, мощность 5000 лошадиных сил. Прототип авиадвигателя построен еще в 1943 году, целью создания Lycoming XR-7755 было техническое оснащение самолета Convair-B-36.

Поднять летательный аппарат в небо агрегату ни разу так и не удалось: в послевоенные годы интерес к поршневым авиационным двигателям угас, так как тогда уже набирала популярность реактивная тяга. Длина агрегата составляла 3050 мм, диаметр — 1525 мм.

Haliade 150

Ветреной ротор Haliade 150 в Нант-Сен-Назер во Франции имеет размах лопастей размером с полтора футбольных поля — 154 м. Гондола сооружения поднята на 100 метров над землей. Мощность ветряного ротора равняется 8046 лошадиным силам. Для того, чтобы лопасти Haliade 150 пришли в движение, сила ветра должна быть не менее 3 м/с. Скорость их вращения в среднем составляет 4-11,5 оборотов в минуту.

Относительно Haliade 150 планируется, что когда-нибудь асинхронный двигатель будет ловить воздушные потоки в открытом море. Однако, на сегодня разработавшая его компания Alstom проводит испытания Haliade 150 в береговом режиме.

Место для расположения ветреного ротора выбрано с учетом высокого ветропотенциала для того, что воссоздать для двигателя условия, максимально схожие с теми, в которых его планируют эксплуатировать.

Сегодня ветреной ротор поставлен на платформу высотой 25 м. В дальнейшем, когда Haliade 150 установят на морское дно, она будет больше и выше. Однако, выглядывать из воды платформа станет так же на 25 м.

Несмотря на простоту сооружения — ветровое колесо, комбинированное с электрогенератором, ветреной ротор можно отнести к технологическим разработкам будущего. По большому счету, здесь все точно так же, как в авиации: стремление облегчить конструкцию, композитные материалы, уникальное программное обеспечение на управляющих системах.

Двигатель паровоза Big Boy

Паровоз Big Boy производился компанией Union Pacific в период с 1941 по 1944 годы. Двигатель, установленный на машину, имеет длину 26 м и мощность 6200 лошадиных сил. Сам паровоз может набирать скорость до 129 км/ч, его вес составляет 600 тонн, а общая протяженность — 40,5 м.

Примечательно, что в последний раз Big Boy отправлялся в путь по рельсам в 1962 году. Однако, недавно паровоз реконструировали к знаменательной дате: 150 лет с момента строительства трансконтинентальной железной дороги. На этот раз он прошел по рельсам от Шайена до Огдена в США. Наблюдавшие за шествующим паровозом люди отметили, что «его дебют был величественным».

Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C

Контейнеровозы — самые большие и тяжелые судна, пересекающие океаны. Для того, чтобы облегчить постоянную транспортировку грузов весом в тысячи тонн был придуман двухтактный дизельный двигатель Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C. Его разработала финская компания. Турбомотор используется для оснащения морских кораблей. За 1 час агрегат сжигает 6,3 тонны мазута.

Мощность Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C равна 108 920 лошадиным силам. Габариты поршневого двигателя внутреннего сгорания также поражают: агрегат имеет длину 27 м, высоту — 13,4, а его сухая масса составляет 2300 тонн. Рабочий объем двигателя на 14 цилиндров равен 25 480 л, поршень имеет среднюю скорость 8,5 м/с.

Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C оснащен системой сбора воды, которая конденсируется, ввиду охлаждения воздуха. Впервые запущен в сентябре 2006 года на борту Emma Marsk — на то время самого большого в мире контейнеровоза. Двигатель обладает 14 цилиндрами, диаметр каждого из них — 960 мм.

К двигателям внешнего сгорания относятся следующие агрегаты:

• Поршневые паровые двигатели;
• Паровые турбины;
• Двигатели Стирлинга;
• Паровой двигатель.

General Electric GE90-115B

Турбореактивный General Electric GE90-115B — самый большой двигатель в авиации. Применяется на самолетах Boeing 777. Разработка мотора окончилась в 1995 году, тогда же он поступил в эксплуатацию. Используется до сих пор. Диаметр агрегата — 3,25 м.

General Electric GE90-115B разработан в 70-е годы прошлого века. Прототипом для него выступил один из высокоэффективных двигателей NASA. Компрессор электромотора является 10-ступенчатым, он способен создавать степень сжатия 23:1. Длина General Electric GE90-115B составляет 729 см, ширина — 387 см, высота — 295 см.

Двигатель развивает скорость вращения вентилятора 2550 оборотов в минуту. Мощность его тяги в крейсерском режиме составляет 7945 кгс, во взлетном — 52436 кгс. Электромотор служит примером для создания новых агрегатов. Так, благодаря General Electric GE90-115B на свет появились турбореактивные двигатели GEnx.

1750 MWe Arabelle

Электродвигатель 1750 MWe Arabelle — часть АЭС Фламанвиль во Франции. Мощность агрегата — 2 346 788 лошадиных сил. Принцип работы турбинного генератора заключается в том, что двигатель перерабатывает пар, исходящий от атомного реактора, в электрическую энергию. Роторные диски, расположенные внутри 1750 MWe Arabelle, весят около 120 тонн.

Агрегат разработан французской машиностроительной компанией Alstom, габариты сооружения поражают: двигатель обладает весом 1400 тонны и диаметром 6,4 м, его высота — свыше 70 м. Турбинный генератор имеет скорость вращения 1500 оборотов в минуту.

F1

Жидкостный ракетный двигатель F1 разработан американской компанией Rocketdyne. Целью создания агрегата было обеспечение первой ступени ракеты Сатурн-5 механической силой. На 2008 год F1 — самый мощный двигатель из всех прошедших тестовый запуск ЖРД. Мощь агрегата составляет 190 000 000 лошадиных сил. В ракету Сатурн-5 установлено 5 таких двигателей. В качестве топлива в F1 использовался керосин, а роль окислителя выполнял кислород.

Изначально жидкостный ракетный двигатель создавался по запросу ВВС США. В дальнейшем страна отказалась от поддержки разработки F1 так как у нее не было данных, подтверждающих действенность применения такого большого двигателя.

Проектом заинтересовались в NASA, они заключили договор с  Rocketdyne о завершении разработки. F1 впервые испытали в марте 1959 года.

На сегодня ракета Сатурн-5, в которой установлено 5 двигателей F1, является самой мощной, тяжелой и большой из всех выходивших на орбиту. Летательный аппарат превосходит даже H-1, Space Shuttle и Falcon Heavy, является трехступенчатой.

Раздел «Двигатели» входит в число самых пополняемых в патентоведении. Суммарно в год со всей планеты подается от 20 до 50 заявок на оформление регистрации. 

Видео в тему

Может быть полезно:

Самый большой двигатель внутреннего сгорания

Начнем с того, что ДВС большого размера с огромной мощностью используются в качестве основной силовой установки на судах. Речь идет о судовых дизельных двигателях. На различных судах можно встретить множество вариантов таких дизелей, однако особого внимания заслуживает двигатель компании Wartsila-Sulzer, а точнее модель RTA96-C.

Сразу отметим, указанный агрегат сегодня по праву можно считать самым большим и самым мощным двигателем в мире, также установка имеет самый большой рабочий объем и размеры двигателя по сравнению со схожими аналогами. Итак, обо всем по порядку.

Содержание статьи

Дизель-гигант: характеристики

Финский производитель Wartsila занимает лидирующие позиции среди компаний, которые специализируются на разработке и выпуске судовых дизелей. Агрегаты обладают высокой единичной мощностью.

Первый двигатель Wartsila — Sulzer с индексом RTA96-C получил 11 цилиндров и появился еще в 90-х годах. ДВС представляет собой двухтактный судовой дизель и был собран на мощностях японской компании Diesel United.

Что касается рабочего объема, то показатель зафиксирован на отметке 1820 л. Как правило, указанный дизель с разным количеством цилиндров ставится на большие суда с вместительностью около 8 000 или 10 000 тонн, которые перевозят контейнеры (контейнеровоз). Указанный судовой дизель-генератор является основной силовой установкой, позволяя судну развить скорость в 25 узлов, что составляет чуть более 45 км/ч.

Общая мощность RTA96-C находится на отметке 108920 л.с. при рабочем объёме 25480 литров. Если же рассматривать мощность такого дизеля при пересчете на 1 литр топлива, получается чуть более 4 л.с. на литр горючего. На первый взгляд, это совсем немного. Более того, ни для кого не секрет, что производители автомобильных двигателей уже давно снимают с 1 литра не менее сотни «лошадок».

Такая медленная и спокойная работа агрегата на судне позволяет добиться улучшенного наполнения и вентиляции огромных цилиндров, скорость движения поршня также невелика, однако мотор при этом отличается неплохим КПД. На практике это значит, что расход топлива в этом двигателе во всех режимах составляет 118-126 граммов дизтоплива на 1 л.с. в час. Этот показатель фактически в полтора или даже два раза ниже сравнительно с дизелями на авто.

Еще важно учитывать, что судовой дизель получает менее «энергоемкое» топливо, чем автомобильные ДВС. Простыми словами, после сжигания 1 литра очищенной солярки, которую мы привыкли заливать в автомобиль на АЗС, полезной энергии выделится намного больше сравнительно с тяжелым дизтопливом для морских судов.

Также добавим, что модель Wartsila — Sulzer 14RTA96-C (14-цилиндровая версия) имеет вес в 2 тысячи 300 тонн, причем это «чистый» вес, то есть без учета моторного масла и других техжидкостей, которые дополнительно заливаются в агрегат. Только один коленчатый вал этого гиганта весит 300 тонн. В длину установка имеет 26.7 м, а по высоте показатель составляет 13.2 метра.

Особенности конструкции

Если говорить о конструктивных особенностях, примечательно то, что в каждом отдельном цилиндре такого судового дизельного двигателя имеется один большой клапан. Указанный клапан располагается прямо в центре камеры сгорания. Параллельно установлены еще три небольших клапана, которые выполняют функцию форсунок.

Получается, большой клапан выпускной и служит для выпуска отработавших газов из цилиндра, а через меньшие по размеру клапаны поступает солярка. Через выпускные клапаны отработавшие газы из всех цилиндров попадают в выпускной коллектор, затем поступают в 4 турбокомпрессора.

Такой подход полностью оправдан с учетом особенности воспламенения топлива в дизеле, высоких нагрузок на дизельный двигатель, вибронагруженности установки и необходимости обеспечить максимальную  долговечность. Все детали, из которых изготовлен самый большой двигатель, выполнены с использованием проверенных и прочных металлов. Традиционными решениями выступают чугун и сталь.

Что в итоге

Напоследок добавим, несмотря на большой успех в области производства сверхмощных судовых дизелей, инженеры компании Wartsila и далее не намерены останавливаться на достигнутом результате.

Доказательством служит информация о том, что ведутся работы над созданием еще более мощных судовых двигателей внутреннего сгорания. Например, уже обнародованы заявления о разработке судового дизеля с 18 цилиндрами.

Это значит, что в скором времени на фоне уже имеющихся в линейке дизель-генераторов появится еще более мощный ДВС с впечатляющими габаритами и характеристиками. Другими словами, скоро очередной самый большой двигатель в мире будет сдан в эксплуатацию.

Читайте также

Самые большие двигатели в мире

Количество цилиндров в нем может варьироваться от 6 до 14 штук. Это усиленный двухтактный мотор, в качестве топлива для которого используется мазут. Количество потребляемого топлива составляет 13 тысяч литров за час работы. Вес коленчатого вала составляет 300 тонн.

Мотор для автомобилей. Самым большим автомобильным двигателем за всю историю их создания стал выпущенный в 1911 году мотор, установленный на автомобиль Fiat Blitzen Benz. Уровень мощности этого мотора с 4 цилиндрами составляла 300 л.с., а объем рабочей камеры — 28,2 литра. Целью постройки такого автомобиля стало участие в автогонках. Общее количество выпущенных машин с таким мотором составило всего два. Владельцем первого из них стал российский князь Борис Суханов. После окончания Революции машина оказалась в Австралии, где в 1924 году получила серьезные повреждения в аварии. Второй автомобиль длительное время находился в собственности компании FIAT, но в 1920 году было решено изменить его конструкцию с установкой двигателя меньшего объема.

Ракетный двигатель. При наличии необходимости отправки ракеты к Луне, он станет наиболее подходящим вариантом. Это наибольшая в мире силовая установка, когда-либо созданная человеком. Его силовая тяга в момент старта составляла 34500000 Н.м. и мощность 190,000,000 л.с. Энергии, производимой им в процессе функционирования, хватило бы для того, чтобы полностью освещать Нью-Йорк на протяжении 75 минут. Данной силы было бы достаточно для вывода на орбиту 130 тысяч кг полезного груза. Объема топлива, потребляемого им, среднестатистическому автомобилю хватило бы на то, чтобы 800 раз объехать вокруг земного шара.

Самый мощный мотор на локомотиве. Его производство было завершено в 1955 году компанией Union Pacific. Общая мощность его усиленных двигателей составила 8500 л.с., что и по сей день является абсолютным рекордом для ж/д локомотивов. В его конструкции — 10 камер сгорания, а его вес равен 410 тысяч килограмм. Емкость топливного бака локомотива составила 9500 литров, а максимальная масса перевозимого груза — 12500 тонн.

Самый длинный паровоз с паровым двигателем. Этот локомотив находился в собственности компании Union Pacific Railroad и относился к классу 4000. Выпускался с 1941 по 1944 год. Последний его выход на линию был в 1959 году, по причине вытеснения паровозов локомотивами с дизельными двигателями. Предельная скорость локомотива составляла 100 км/ч, а пиковая мощность выдавалась на скорости 56 км/ч. Максимальный же уровень тяги развивался на скорости, не превышающей 16 км/ч.

Самый мощный автомобильный мотор. Автомобиль SRT Viper, выпущенный компанией Chrysler, и выглядел как необычная машина с десятицилиндровым двигателем объемом 8,4 литра, и мощностью 649 л.с. Самая большая скорость, до которой он может разогнаться, составляет 330 км/ч, а чтобы разогнаться от 0 до 100 км/ч, ему требуется всего 3,3 секунды.

Итог. Эти моторы для разных видов транспорта представляют собой самые мощные образцы двигателей для своего класса, удерживающие лидерство на протяжении длительного времени.

• Какой выбрать автомобиль в 2019? Дизельный, Бензиновый или Электрический?

Смотреть все фото новости >>

двигатель внутреннего сгорания | Определение и факты

Двигатель внутреннего сгорания , любое устройство из группы устройств, в котором реагенты сгорания (окислитель и топливо) и продукты сгорания служат рабочими жидкостями двигателя. Такой двигатель получает энергию за счет тепла, выделяемого при сгорании непрореагировавших рабочих жидкостей, топливно-окислительной смеси. Этот процесс происходит внутри двигателя и является частью термодинамического цикла устройства. Полезная работа, создаваемая двигателем внутреннего сгорания (ВС), является результатом воздействия горячих газообразных продуктов сгорания на движущиеся поверхности двигателя, такие как поверхность поршня, лопатка турбины или сопло.

Подробнее по этой теме

История техники: Двигатель внутреннего сгорания

Электричество не является основным двигателем, поскольку, каким бы важным оно ни было как форма энергии, оно должно быть получено из механического …

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее широко применяемыми и широко используемыми в настоящее время энергогенерирующими устройствами.Примеры включают бензиновые двигатели, дизельные двигатели, газотурбинные двигатели и ракетные двигательные установки.

Двигатели внутреннего сгорания делятся на две группы: двигатели непрерывного сгорания и двигатели периодического сгорания. Двигатель непрерывного сгорания характеризуется постоянным поступлением топлива и окислителя в двигатель.Внутри двигателя (например, реактивного двигателя) поддерживается стабильное пламя. Двигатель прерывистого сгорания характеризуется периодическим воспламенением воздуха и топлива и обычно называется поршневым двигателем. Дискретные объемы воздуха и топлива обрабатываются циклически. Бензиновые поршневые двигатели и дизельные двигатели являются примерами этой второй группы.

Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на ряд термодинамических явлений. В двигателе непрерывного сгорания термодинамические события происходят одновременно, так как окислитель, топливо и продукты сгорания постоянно проходят через двигатель. Напротив, в двигателе прерывистого сгорания события происходят последовательно и повторяются для каждого полного цикла.

За исключением ракет (как твердотопливных ракетных двигателей, так и жидкостных ракетных двигателей), двигатели внутреннего сгорания заглатывают воздух, затем либо сжимают воздух и вводят топливо в воздух, либо вводят топливо и сжимают топливно-воздушную смесь. Затем, как и во всех двигателях внутреннего сгорания, сжигается топливно-воздушная смесь, работа извлекается из расширения горячих газообразных продуктов сгорания, и в конечном итоге продукты сгорания выбрасываются через выхлопную систему.Их работа может отличаться от работы двигателей внешнего сгорания (например, паровых двигателей), в которых рабочая жидкость не вступает в химическую реакцию, а выигрыш энергии достигается исключительно за счет передачи тепла рабочему телу посредством теплообменника.

Наиболее распространенным двигателем внутреннего сгорания является четырехтактный бензиновый двигатель с однородным зарядом и искровым зажиганием. Это связано с его выдающимися характеристиками в качестве основного двигателя в отрасли наземного транспорта. Двигатели с искровым зажиганием также используются в авиационной промышленности; однако авиационные газовые турбины стали основным двигателем в этом секторе из-за того, что авиационная промышленность делает упор на дальность полета, скорость и комфорт пассажиров.Сфера двигателей внутреннего сгорания также включает такие экзотические устройства, как сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели внутреннего сгорания (ГПВРД), например, предлагаемые для гиперзвуковых самолетов, и сложные ракетные двигатели и двигатели, такие как те, что используются на космических челноках США и других космических аппаратах.

| Министерство энергетики

Двигатели внутреннего сгорания обеспечивают исключительную управляемость и долговечность, от них в Соединенных Штатах полагается более 250 миллионов транспортных средств, работающих по шоссе. Наряду с бензином или дизельным топливом они также могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно комбинировать с гибридными электрическими силовыми агрегатами для увеличения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для расширения ассортимента гибридных электромобилей.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Горение, также известное как горение, является основным химическим процессом высвобождения энергии из топливно-воздушной смеси. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) воспламенение и сгорание топлива происходит внутри самого двигателя. Затем двигатель частично преобразует энергию сгорания в работу. Двигатель состоит из неподвижного цилиндра и подвижного поршня. Расширяющиеся газы сгорания толкают поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал.В конечном итоге, это движение приводит в движение колеса автомобиля через систему шестерен трансмиссии.

В настоящее время производятся два типа двигателей внутреннего сгорания: бензиновый двигатель с искровым зажиганием и дизельный двигатель с воспламенением от сжатия. Большинство из них представляют собой четырехтактные двигатели, что означает, что для завершения цикла необходимо четыре хода поршня. Цикл включает четыре различных процесса: впуск, сжатие, сгорание, рабочий ход и выпуск.

Бензиновые двигатели с искровым зажиганием и дизельные двигатели с воспламенением от сжатия различаются по способу подачи и воспламенения топлива.В двигателе с искровым зажиганием топливо смешивается с воздухом, а затем вводится в цилиндр во время процесса впуска. После того, как поршень сжимает топливно-воздушную смесь, искра воспламеняет ее, вызывая возгорание. Расширение дымовых газов толкает поршень во время рабочего хода. В дизельном двигателе только воздух вводится в двигатель, а затем сжимается. Затем дизельные двигатели распыляют топливо в горячий сжатый воздух с подходящей дозированной скоростью, вызывая его возгорание.

Улучшение двигателей внутреннего сгорания

За последние 30 лет исследования и разработки помогли производителям снизить выбросы ДВС таких загрязнителей, как оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM), более чем на 99%, чтобы соответствовать стандартам выбросов EPA. ,Исследования также привели к улучшению характеристик ДВС (мощность в лошадиных силах и время разгона 0-60 миль в час) и эффективности, помогая производителям поддерживать или увеличивать экономию топлива.

Узнайте больше о наших передовых исследованиях и разработках двигателей внутреннего сгорания, направленных на повышение энергоэффективности двигателей внутреннего сгорания с минимальными выбросами.

Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

1. Введение

Нефть является бесспорным крупнейшим источником энергии для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Однако быстрое истощение запасов нефти из-за увеличения количества транспортных средств, выбросов загрязняющих веществ в продуктах сгорания, которые угрожают экологической системе, и опасения по поводу надежности поставок из-за неравномерно распределенных запасов нефти по всему миру, из которых около 50 % расположен на Ближнем Востоке, поощряет поиск источников топлива, которые являются более экологически чистыми и имеют обширные запасы в мире [1].

Бензин и дизельное топливо, которые производятся из сырой нефти, также могут быть получены синтетически из газов CO и H ₂ методом, обнаруженным немецкими химиками Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1923 году. Синтез Фишера-Тропша, запатентованный метод с тех пор. 1926, обеспечивает получение синтетического жидкого топлива из многих видов углеродного и водородного сырья. Обычно уголь, природный газ и метан используются для получения больших количеств газов CO и H ₂ , которые необходимы для реакций синтеза.Сегодня Германия, Индия, Китай и Южная Африка, обладающие крупными запасами угля, производят коммерчески синтетическое топливо с синтезом Фишера-Тропша [2, 3, 4]. Однако, поскольку состав синтетического бензина и дизельного топлива аналогичен составу природного бензина и дизельного топлива, их влияние на выбросы загрязняющих веществ от транспортных средств также аналогично.

В этой главе, с целью снижения выбросов загрязняющих веществ в результате работы двигателей внутреннего сгорания, рассматриваются характеристики водорода, природного газа, ацетилена и этанола, которые являются альтернативными видами топлива и могут использоваться без изменения конструкции двигателей SI и CI, и их влияние на характеристики двигателя и выбросы выхлопных газов.Физические и химические характеристики бензина, дизельного топлива и альтернативных видов топлива, упомянутых в этой главе, показаны в таблице 1.

Топливо, используемое в ДВС, обычно производится из первичных ресурсов. Чтобы преобразовать источник в топливо и доставить это топливо к транспортному средству, проводится анализ от скважины к резервуару (WTT) с точки зрения потребления энергии и выбросов парниковых газов. Балансы энергии и парниковых газов, полученные на основе анализа WTT на основе 2010–2020 + годов для альтернативных видов топлива в ЕС, показаны в таблице 2. Когда таблица 2 исследуется в соответствии с типами топлива, максимальная энергия потребляется для производства газообразного водорода и минимальные затраты энергии на бензиновый топливный.С другой стороны, когда таблица 2 сравнивается с точки зрения ресурсов, наибольшее потребление энергии получается как 3,11 МДж / МДж при использовании электролиза при производстве водорода, в то время как наименьшее потребление энергии составляет 0,1 МДж / МДж при производстве должен газ убирать из географии ЕС. Из таблицы 2 видно, что наибольшее значение CO ₂ образуется при получении газообразного водорода, а наименьшее значение выбросов выделяется для бензинового топлива. Что касается ресурсов, то при производстве водорода из угля наибольшее значение выбросов парниковых газов составляет 237 г CO ₂ / МДж, а наименьшее количество парниковых газов составляет 3.3 г CO ₂ / МДж при производстве синтетического природного газа из ветровой электроэнергии.

Таблица 2.

Баланс энергии и парниковых газов в анализах WTT для ЕС (2010–2010 гг. 2020+) [154].

2. Ацетилен

Ацетилен использовался в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания в начале 1900-х годов. В 1901 году Гюстав Уайтхед использовал двигатель мощностью 15 кВт, приводимый в действие ацетиленом, на своем летательном аппарате. К 1940-м годам ацетилен начал использоваться в автомобилях. В те годы было выдано около 4000 лицензий на перевод автомобилей на альтернативные виды топлива, причем более половины из них — на перевод на ацетилен [5]. В настоящее время ацетилен используется только в металлургической и химической промышленности и не используется в транспортных средствах.Тем не менее, экспериментальные исследования по использованию ацетилена в ДВС в последние годы набирают обороты из-за высокой скорости пламени и плотности энергии.

Ацетилен был впервые обнаружен Эдмундом Дэви в 1836 году. Но впоследствии о нем забыли. Марселлен Бертло заново открыл это углеводородное соединение в 1860 году. Он придумал этому соединению название «ацетилен» [6].

Ацетилен, первый член алкинов (C _n H _{2n − 2} ), представляет собой газ без цвета и запаха, но с запахом, похожим на запах чеснока, если он получен из карбида кальция.Газообразный ацетилен в природе не встречается в больших количествах, но обычно его получают в результате реакции карбида кальция с водой [7]. Карбид кальция (CaC ₂ ) получают нагреванием смеси негашеной извести и кокса в электродуговых печах до 2000–2100 ° C. Негашеную известь (CaO) получают путем нагревания карбоната кальция (CaCO ₃ ) примерно до 900 ° C. На рис. 1 схематически представлена ​​комплексная установка по производству карбида кальция [8]. Более того, процессы видны в уравнениях.(1) и (2) [8, 9, 10].

Рисунок 1.

Комплексное производство карбида кальция [8].

CaCO3 + тепло → CaO + CO2E1

CaO + 3C → CaC2 + COE2

Ацетилен имеет более высокую скорость пламени и плотность энергии, чем бензин и дизельное топливо [11], следовательно, ацетиленовые двигатели могут больше приблизиться к термодинамически идеальному КПД цикла двигателя. Но октановое число ацетилена ниже, чем у других топлив, используемых в двигателях внутреннего сгорания [12]. Поэтому максимальный расход ацетилена ограничивается началом детонации.Более низкая энергия воспламенения, высокая скорость пламени, широкие пределы воспламеняемости и более низкое октановое число приводят к преждевременному воспламенению и нежелательному явлению горения, называемому детонацией [13, 14]. Это основные проблемы, возникающие при использовании ацетилена в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

В двигателях SI ацетилен и бензин впрыскиваются либо во впускной коллектор, либо непосредственно в цилиндр, и смесь воспламеняется свечой зажигания в конце такта сжатия. В дизельных двигателях ацетилен либо всасывается вместе с всасываемым воздухом, либо впрыскивается непосредственно в цилиндр и сжимается.Однако смесь ацетилен-воздух не самовоспламеняется из-за очень высокой температуры самовоспламенения. Небольшое количество дизельного топлива, называемого пилотным топливом, впрыскивается в смесь в конце такта сжатия. Пилотное дизельное топливо автоматически воспламеняется первым и воспламеняет смесь ацетилена с воздухом, такую ​​как свеча зажигания. Так, двухтопливные дизельные двигатели сочетают в себе черты двигателей SI и CI [15, 16, 17].

Основные преимущества использования ацетилена в качестве бензин-ацетиленовых смесей в двигателях SI [5, 18, 19, 20, 21]:

• Смеси ацетилена и бензина могут использоваться в двигателях SI при любой нагрузке от низкой до полной. нагрузить.Однако его также можно использовать в качестве единственного топлива при частичных нагрузках.

• Если ацетилен смешать с бензином в стехиометрических условиях, это приведет к снижению расхода бензина при постоянной выходной мощности, как показано в таблице 3. В то же время, как видно на рисунке 2, выбросы углеводородов были значительно сокращены. нагрузок, и, как видно на Рисунке 3, выбросы NO снизились при полной нагрузке в соответствии с работой с бензином [18]. Экспериментальные исследования [18] проводились при 1500 об / мин и стехиометрическом соотношении в условиях 25, 50, 75% и полной нагрузки.Ацетилен впрыскивали во впускной коллектор испытательного двигателя через газовый инжектор 500 и расход газа 1000 г / ч.

• Ацетилен увеличивает предел плохого сгорания при частичных нагрузках в двигателях SI. Двигатель может работать в обедненных условиях на бензино-ацетиленовых смесях. Как видно на рисунках 4 и 5, тепловой КПД двигателя увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается. Кроме того, при высоких коэффициентах эквивалентности наблюдаются довольно низкие выбросы выхлопных газов.Выбросы NO практически отсутствуют, поскольку в обедненных топливовоздушных смесях температура в цилиндрах снижается, а выбросы несгоревших углеводородов значительно снижаются по сравнению с работой на бензине в двигателях SI, как можно увидеть на рисунках 6 и 7. С использованием ацетилена в качестве альтернативы. топлива в двигателях SI, загрязнение воздуха от автомобилей с двигателями SI в крупных городах может быть значительно снижено [19].

• Ацетилен работает в дизельных двигателях с двухтопливным режимом за счет небольшой модификации двигателя и при этом снижает выбросы NOx, HC, CO и CO ₂ , способствуя значительному снижению расхода дизельного топлива [16].Ацетилен нельзя использовать в качестве единственного топлива в дизельных двигателях из-за высокой степени сжатия. В этом исследовании испытания проводились на четырехтактном дизельном двигателе с номинальной выходной мощностью 4,4 кВт при 1500 об / мин с небольшими изменениями во впускном коллекторе для крепления газового инжектора. Расход газа 110, 180 и 240 г / ч и оптимизированное время впрыска были установлены с помощью ЭБУ. В таблице 4 показано соотношение доли энергии дизельного топлива и ацетилена при расходе 240 г / ч [16].

• В странах с большими запасами угля и небольшими запасами нефти или без них ацетилен может использоваться в автомобилях, которые составляют большую часть транспортных потоков.Таким образом можно уменьшить потребность страны в нефти.

Таблица 3.

Массовые потоки топлива, пиковое давление и опережение искры [18].

* 2 CA после верхней мертвой точки

Рисунок 2.

Разновидность HC с тормозным усилием (1500 об / мин, разные нагрузки) [18].

Рисунок 3.

Вариант NO с тормозным усилием (1500 об / мин, разные нагрузки) [18].

Рисунок 4.

Вариация BTE с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Рисунок 5.

Вариация BSFC с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Рисунок 6.

Изменение NO в зависимости от коэффициента избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Рисунок 7.

Изменение UHC с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Таблица 4.

Соотношение доли энергии дизельного топлива и ацетилена при 240 г / ч [16].

Основные недостатки ацетилена как альтернативного моторного топлива [22, 23, 24, 25, 26]:

• Ацетилен — очень взрывоопасный газ, чувствительный к давлению и температуре. По этой причине в транспортных средствах, которые используют ацетилен в качестве топлива, следует серьезно относиться к мерам безопасности, и их не следует парковать в закрытых помещениях.

• Ацетилен — это топливо с очень низкой энергией воспламенения, которое может вызвать возгорание во впускном коллекторе.

• Поскольку детонационная стойкость ацетилена низкая, во избежание детонации необходимо точно отрегулировать соотношение воздух-топливо.

• Ацетилен может использоваться в качестве единственного топлива в двигателях SI только в условиях очень бедной топливовоздушной смеси. В очень обедненных условиях мы не можем получить от двигателя максимальную мощность.

• Хранение ацетилена в автомобилях — нерешенная проблема. Поскольку ацетилен разлагается под давлением 2,5 бар, его нельзя хранить в виде сжатого газа, как другие газы. Ацетилен хранится растворенным в ацетоне в металлическом цилиндре с пористым наполнителем под давлением 18 бар.Когда баллоны с ацетиленом пусты, заполнение на месте невозможно. Поэтому разборка и монтаж цилиндра является серьезным недостатком. Несмотря на то, что баллоны из ацетилена изготавливаются разных размеров, они могут вместить 8,7 м ³ , имеют объем около 60 литров и средний вес (полный) 70 кг [27]. Эта ситуация вызывает большие трудности на практике.

• Другой метод — производить ацетилен из карбида, как в 1940-х годах, и использовать его без хранения. Этот метод требует сложной системы, как показано на рисунке 1.Утилизация остатка, называемого гидроксидом кальция, является еще одной важной проблемой бортовой системы выработки топлива

3. Природный газ

Природный газ — это ископаемое топливо, обнаруженное в природных заповедниках, связанное или не связанное с нефтью [28]. Стоимость получения от природы ниже, чем других ископаемых видов топлива. Природный газ состоит примерно на 90% из метана, 3% этана, 3% азота, 2% пропана и других газовых примесей. Метан, который всегда является доминирующим компонентом природного газа, является первым членом семейства алканов.Благодаря высокому соотношению H / C природный газ известен как самое чистое топливо из ископаемых видов топлива. Благодаря своим экологическим преимуществам во многих странах городские автобусы работают с двигателями, работающими на природном газе. Газ CO ₂ , который обычно должен составлять от 180 до 280 частей на миллион в атмосфере, достиг 405 частей на миллион по состоянию на сентябрь 2018 года из-за чрезмерного использования ископаемого топлива [29]. Поэтому многие страны поощряют использование в транспортных средствах природного газа вместо бензина и дизельного топлива. Поскольку природный газ идеально смешивается с воздухом, он легко воспламеняется, обеспечивает чистое сгорание и дает большое количество тепла.Тепловой КПД двигателей, работающих на природном газе, выше, чем у бензиновых, поскольку эти двигатели имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35].

В отличие от бензиновых и дизельных двигателей, двигатели внутреннего сгорания, работающие на природном газе, не требуют обогащения топлива при холодном запуске, а выбросы выхлопных газов не зависят от низких температур. Транспортные средства, работающие на природном газе (NGV), производят выбросы ниже нормы EURO 6 в соответствии с транспортными средствами, работающими на нефтяном топливе [30].

Согласно отчету NGV Global, количество газомоторных автомобилей и заправочных станций в мире быстро растет (рисунки 8 и 9). По данным на 2018 год, Китай занимает первое место в парке газомоторных автомобилей с 6080000 автомобилей и 8400 заправочных станций. По количеству газомоторного топлива Иран, Индия и Пакистан идут после Китая. Общее количество газомоторных автомобилей на июнь 2018 г. составило 26 130 000 [31].

Рисунок 8.

Количество автомобилей, работающих на природном газе, в мире по годам [31].

Рисунок 9.

Количество газозаправочных станций в мире по годам [31].

Самый большой недостаток для сектора транспортировки природного газа — это проблема хранения природного газа. Природный газ легче воздуха. Хотя плотность воздуха на уровне моря при 15 ° C составляет 1,225 кг / м ³ , хотя плотность природного газа варьируется в зависимости от его состава, она составляет около 0,71 кг / м ³ . Поскольку природный газ является легким газом, плотность энергии на единицу объема невысока, и для обеспечения разумного расстояния перемещения объем хранилища следует выбирать большим.К счастью, технология развилась, и природный газ начал храниться в стальных или углеродных трубах под давлением 200 бар с помощью компрессоров высокого давления. Парковка автомобилей на природном газе в закрытых помещениях опасна по соображениям безопасности. В настоящее время автомобили с двигателями, работающими на природном газе, имеют запас хода более 300 миль с одной заправкой. Кроме того, природный газ не является возобновляемым источником энергии, как другие ископаемые виды топлива [35, 36, 37].

Высокая детонационная стойкость природного газа позволяет использовать его в двигателях с более высокой степенью сжатия по сравнению с бензиновыми двигателями.Эксплуатация автомобилей, работающих на природном газе, при более высоких степенях сжатия, чем автомобили с бензиновым двигателем, увеличивает тепловой КПД. Как видно на рисунке 10, в ходе испытаний, проведенных при различных степенях сжатия природного газа и смесей природного газа с водородом (HCNG), был получен минимальный расход топлива для степени сжатия 12,5. На рисунке 11 показано, что выбросы THC ниже стандартов Euro VI во всех степенях сжатия [30]. Эксперименты проводились на доработанном дизельном двигателе, имеющем 9.6, 12,5 и 15 различных степеней сжатия при 1500 об / мин в условиях полной нагрузки, работающих на смеси обогащенного водородом сжатого природного газа (100% CNG, 95% CNG + 5% H ₂ , 90% CNG + 10% H ₂ и 80% КПГ + 20% H ₂ ). Характеристики двигателя и параметры выбросов были получены при опережения зажигания 10 ° CA BTDC и различных коэффициентах избытка воздуха (λ = 0,9–1,3).

Рис. 10.

Значения THC в зависимости от степени избытка воздуха с использованием различных степеней сжатия [30].

Рис. 11.

Значения BSFC в зависимости от степени избытка воздуха с использованием различных степеней сжатия [30].

Значения NO _X для λ = 1,0 и λ = 1,15 показаны в таблице 5. Как видно из таблицы, увеличение степени сжатия и значений доли водорода приводит к увеличению значений NO _X .

Таблица 5.

NO _X значений (ppm) для λ = 1,0 и λ = 1,15 [30].

4. Этанол

Этанол обычно производится из возобновляемых источников, таких как биомасса и сельскохозяйственное сырье [38, 39]. Итак, этанол получил широкое распространение в качестве альтернативного топлива в двигателях внутреннего сгорания. Октановое число этанола выше, чем октановое число бензина. Высокое октановое число этанола позволяет использовать этанол в качестве топлива в двигателе SI с более высокой степенью сжатия [40].Скрытая теплота испарения этанола увеличивает охлаждающий эффект в цилиндре, что приводит к увеличению объемной эффективности [41]. Этанол горит чище, чем бензин и дизельное топливо, и производит меньше CO, CO ₂ и NO _x . Он имеет низкий коэффициент диффузии и трудность воспламенения при низкой температуре, поэтому сгорание не завершается при низкой температуре и содержание углеводородов увеличивается по сравнению с бензином при использовании этанола. Химический состав этанола: C ₂ H ₅ OH.Процент водорода в этаноле выше, чем в бензине.

Недавно природоохранные органы в крупных городских центрах выразили озабоченность по поводу истинного эффекта от использования смесей этанола, содержащих до 20% в используемых транспортных средствах без каких-либо изменений в настройке блока управления двигателем (ECU), а также по поводу вариантов эти эффекты за годы эксплуатации этих автомобилей [40].

Чистый этанол можно использовать в двигателях внутреннего сгорания, но есть некоторые проблемы [42, 43, 44, 45].Вот эти проблемы;

1. Этанол имеет низкую скорость пламени. Значит, у него плохая функция холодного пуска. Использование в качестве топлива в зимние месяцы затруднено.

2. Легковых автомобилей, рассчитанных на 100% этанол, не существует. Использование чистого этанола может повредить двигатели. Даже двигатели, которые могут работать со смесями бензина и этанола, могут содержать до 85% этанола.

3. Этанол — коррозионно-агрессивное топливо. Итак, материалы и поверхности деталей камеры сгорания, все пластмассы, контактирующие с топливом и системой впрыска топлива, должны быть улучшены.

5. Водород

Хотя водород является наиболее распространенным элементом в мире и не существует в природе в чистом виде, его необходимо производить из таких источников, как вода и природный газ. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится [46, 47].

Водород изучается как альтернативное газовое топливо в течение длительного времени. Водород не имеет некоторых проблем, связанных с жидким топливом, таких как паровая пробка, закалка с холодной стенкой, недостаточное испарение и бедное смешение.Водород имеет чистое горение. При сжигании водорода выделяется в основном вода. При сгорании водорода не выделяются токсичные продукты, такие как углеводороды, монооксид углерода и диоксид углерода [48]. Самым важным преимуществом водорода является то, что он не производит газа CO ₂ , который является одним из наиболее важных источников глобального потепления. Кроме того, водород имеет более широкий предел воспламеняемости, чем бензин, дизельное топливо и природный газ [49, 50]. Кроме того, водород имеет высокую скорость пламени и высокую температуру самовоспламенения [51].Также водород легко может гореть в сверхбедных смесях [52]. Энергия, необходимая для воспламенения водородно-воздушной смеси, составляет всего 0,02 МДж. Поэтому он идеален для слабых смешанных ожогов [50]. Наконец, водород можно использовать при широких степенях сжатия в двигателях внутреннего сгорания, поскольку температура самовоспламенения водорода слишком высока [53]. Благодаря этим свойствам было проведено множество исследований по использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания [54, 55, 56].

Из-за низкой энергии, необходимой для воспламенения водорода, смесь немедленно воспламеняется при контакте с горячей точкой в ​​цилиндре.В результате может возникнуть детонация [56, 57]. Как видно из рисунка 12, еще одним недостатком водорода является его низкая плотность энергии [58]. Кроме того, образование выбросов NO _X увеличивается при горении водорода из-за высокой температуры пламени [59, 60]. Увеличение NO _X с водородом можно увидеть на Рисунке 13.

Рисунок 12.

Энергетическая плотность некоторых видов топлива [145].

Рис. 13.

Изменения NOX при разных оборотах двигателя (a) [61] и разном коэффициенте избытка воздуха (b) [62] при добавлении водорода к бензину.

Эксперименты, включенные в исследование на чистом водороде и бензине [61], в которых был взят рисунок 13, проводились на четырехцилиндровом, четырехтактном двигателе SI с карбюратором, имеющем степень сжатия 8,8: 1. Момент зажигания был установлен на 10 ^° перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Двигатель работал в диапазоне частот от 2600 до 3800 об / мин. В экспериментальном исследовании [62] испытания проводились при частоте вращения двигателя 1400 об / мин, давлении воздуха в коллекторе 61,5 кПа, времени зажигания MBT и различных коэффициентах избытка воздуха (1.0-2.6). В этом исследовании, чтобы моделировать водород, мольное отношение водорода к кислороду было зафиксировано на уровне 2: 1 посредством регулировки продолжительности впрыска водорода и кислорода. Кроме того, в испытаниях были приняты три стандартные объемные доли кислорода в общем поступающем газе, равные 0, 2 и 4%.

6. Водородная смесь

Поскольку водород оказывает негативное воздействие на двигатель внутреннего сгорания, он используется в виде смеси, а не в чистом виде. Наиболее распространенной смесью водорода является HCNG. Смесь образована путем смешивания природного газа.Смеси природного газа и водорода (HCNG), которые считаются альтернативным топливом для обычных двигателей, представляют собой смеси, созданные для объединения превосходных свойств природного газа и водорода. Существует множество исследований [63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70] с использованием HCNG в качестве альтернативного топлива.

Как видно на Рисунке 14, добавление водорода вызывает увеличение теплового КПД и вызывает расширение пределов воспламеняемости. Кроме того, при рассмотрении цифр видно, что добавление водорода увеличивает стабильность горения и значение тормозной мощности, а также снижает удельный расход топлива.

Рисунок 14.

BTE, COV, мощности и BSFC в зависимости от соотношения эквивалентности при 2200 об / мин, 50% WOT с синхронизацией MBT и разным процентным содержанием водорода [69].

Более того, как видно на Рисунке 15, добавление водорода к природному газу приводит к уменьшению выбросов CO и HC и увеличению значений NO _X . В экспериментальном исследовании, на котором был взят рисунок 15, эксперименты проводились при 2000, 2400 и 2800 об / мин с широко открытой дроссельной заслонкой и изменением степени эквивалентности.Одноцилиндровый двигатель со степенью сжатия 7,25: 1 работал на сжатом природном газе, а смеси водорода в КПГ составляли 5, 10, 15 и 20% энергии.

Рис. 15.

Значения выбросов в зависимости от коэффициента эквивалентности при 2000 об / мин (a), 2400 об / мин (b) и 2800 об / мин (c) и при различных расходах водорода [70].

Другой смесью, полученной с использованием водорода, является смесь этанола и водорода. В литературе можно найти множество исследований по использованию водорода и этанола в двигателях внутреннего сгорания [71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85].

В экспериментальном исследовании [85], в котором был взят рисунок 16, эксперименты проводились на двигателе с воспламенением от сжатия, модифицированном для работы в режиме искрового зажигания, работающем на двухтопливной комбинации водород-этанол с различным процентным содержанием водорода (0– 80%) в условиях степени сжатия 7: 1, 9: 1 и 11: 1 путем изменения момента зажигания искры при постоянной скорости 1500 об / мин.

Рис. 16.

Изменения BSFC в зависимости от времени воспламенения при степенях сжатия 7: 1 и 11: 1 для различных смесей этанола и водорода [85].

В исследовании, проведенном со смесью водород-ацетилен, Sampath Kumar et al. [86] были исследованы характеристики и поведение выбросов двигателя SI, работающего на водородно-ацетиленовом топливе. Результаты показали, что термический КПД тормозов повысился, а значения выбросов снизились по сравнению с бензином.

В другом исследовании Tangöz et al. [87] были проанализированы характеристики и выбросы двигателя SI, работающего на ацетилен-водороде при фиксированном значении BMEP, равном 2.095 бар, нагрузка 30 Нм и частота вращения двигателя 1500 об / мин в условиях обедненной смеси (λ = 1,3–2,8). Как видно из рисунков 17 и 18, экспериментальные результаты показали, что значения удельного расхода топлива снижаются между 18,5 и 20,1% за счет добавления водорода в смесь. Значения термического КПД тормозов снижаются от 6,2 до 3,3% при добавлении водорода в смесь. Кривые давления в цилиндре и скорости тепловыделения продвигаются в верхнюю мертвую точку за счет добавления водорода к ацетилену.Добавление водорода в ацетилен приводит к уменьшению выбросов CO и HC и увеличению значений NO _X для фиксированной лямбды.

Рисунок 17.

Значения SFC и BTE в зависимости от различных фракций водорода [87].

Рис. 18.

Выбросы CO и HC в зависимости от различных долей водорода [87].

7. Альтернативные виды топлива для новых применений ДВС

Сегодня одной из наиболее важных проблем при использовании двигателей внутреннего сгорания является производство вредных выхлопных газов.По этой причине было проведено множество исследований по снижению выбросов при сохранении рабочих характеристик двигателя с использованием новых приложений ICE, таких как HCCI, RCCI, PCCI и PPC. Более того, с целью сокращения выбросов некоторые из этих исследований были сосредоточены на использовании альтернативных видов топлива. В новых двигателях есть процесс, в котором однородная смесь воздуха и топлива сжимается в условиях, когда самовоспламенение происходит ближе к концу такта сжатия, за которым следует сгорание, которое значительно быстрее, чем сгорание в обычном дизельном топливе или по Отто. ,Самовоспламенение и фазировка сгорания в цилиндре контролируются расслоением смеси и синхронизацией впрыска топлива [88, 89, 90, 91, 92, 93]. Применение этих двигателей по сравнению с обычными двигателями позволяет снизить выбросы оксидов азота и сажи и достичь более высокого теплового КПД [94, 95, 96, 97, 98]. Однако в этих двигателях очень сложно управлять автоматическим зажиганием. Было проведено множество исследований для управления процессом самовоспламенения в двигателях с использованием альтернативных видов топлива, имеющих высокую температуру самовоспламенения, низкую реактивность или высокое октановое число.

Одним из наиболее важных новых приложений ДВС является воспламенение от сжатия однородного заряда (HCCI). Для управления процессом самовоспламенения в двигателе HCCI в качестве альтернативного топлива используются некоторые виды топлива с высокой температурой самовоспламенения. При рассмотрении этих исследований видно, что исследования были сосредоточены на природном газе [99, 100, 101, 102, 103, 104], этаноле [105, 106, 107, 108], ацетилене [109, 110, 111, 112, 113, 114] и водород [115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122]. Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI), воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием заряда (PCCI) и сгорание с частичным предварительным смешиванием (PPC) являются другими новыми приложениями ДВС.В двигателях топливо с низкой реактивностью вводится из порта впрыска для образования гомогенной смеси в цилиндре, а топливо с высоким цетановым числом впрыскивается непосредственно в цилиндр для управления фазированием и продолжительностью сгорания. Топливо с высоким октановым числом или низкой реактивностью с устойчивостью к самовозгоранию более благоприятно для сжигания RCCI, PCCI и PPC. По этой причине большинство исследований двигателей RCCI, PCCI и PPC сосредоточено на природном газе [89, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133] и этаноле [ 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144] в качестве альтернативного топлива.

В результате было обнаружено, что рабочие параметры, такие как тип топлива, состав топлива, соотношение воздух-топливо и температура на входе, значительно влияют на рабочий режим новых приложений ДВС. Однако считается, что полная структура для каждого режима приложения ICE не была предоставлена. Более того, несмотря на значительное сокращение выбросов NO _X и сажи в приложениях, работающих на альтернативных видах топлива, значительные количества образующихся выбросов HC и CO все еще остаются проблематичными.

8. Заключение

Ацетилен обладает некоторыми подходящими свойствами, такими как высокая плотность энергии, высокая температура пламени, высокая скорость пламени и низкий уровень выбросов. По этой причине считается, что в будущем можно будет использовать важное топливо или альтернативное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он увеличивает термический КПД тормозов и способствует снижению расхода топлива и всех значений выбросов. Однако необходимо провести некоторые исследования для повышения ударопрочности ацетилена.Кроме того, необходимо разработать эффективные методы производства и новые методы хранения, чтобы использовать ацетилен в качестве альтернативного топлива в транспортных средствах. Наконец, чтобы определить, является ли ацетилен экономичным или нет, необходимо провести анализ до резервуара.

При рассмотрении современных приложений становится очевидным, что топливо из природного газа является подходящим топливом, особенно для двигателей SI, имеющих высокую степень сжатия из-за высокой детонационной стойкости. Эксплуатация автомобилей, работающих на природном газе, при более высоких степенях сжатия, чем автомобили с бензиновым двигателем, снижает BSFC.С другой стороны, природный газ, наиболее чистое ископаемое топливо из-за высокого отношения H / C, обеспечивает большее сокращение выбросов THC, чем стандарт Euro VI, при соблюдении подходящей степени сжатия. Однако, чтобы его можно было использовать во всех двигателях, необходимо устранить проблему хранения. Кроме того, также должны быть проведены исследования по увеличению плотности энергии.

Этанол имеет высокое октановое число. Однако он дороже ископаемого топлива и имеет коррозионные свойства. Кроме того, даже двигатели, которые могут работать со смесями бензин-этанол, могут содержать до 85% этанола.Этанол можно смешивать с другим альтернативным топливом для повышения плотности энергии. Этанол горит чище, чем бензин и дизельное топливо, и производит меньше CO, CO ₂ и NO _x , но содержание HC увеличивается из-за его низкого коэффициента диффузии и трудности воспламенения при низкой температуре.

Водород — чистое топливо с очень высокой удельной массой энергии. Характеристики быстрого горения водорода позволяют работать двигателю на высоких оборотах, и для водорода возникают меньшие тепловые потери, чем для бензина. NO _x Выбросы двигателя, работающего на водороде, примерно в 10 раз ниже, чем у двигателя, работающего на бензине, если он работает в обедненных условиях.Поскольку водород имеет некоторые недостатки, такие как очень низкая энергия воспламенения и объемная плотность энергии, его смешивают с другими видами топлива, особенно с природным газом, для использования в двигателях SI.

Необходимо провести интенсивные исследования, такие как использование водорода в жидком состоянии, чтобы решить проблемы хранения, чтобы достичь желаемого уровня использования в двигателях внутреннего сгорания. Также следует изучить методы или смеси, которые уменьшают образование NO _x .

Несмотря на значительное сокращение выбросов NO _X и сажи в новых приложениях ДВС, таких как HCCI, RCCI, PCCI и PPC, работающих на альтернативных видах топлива, образование значительных объемов выбросов HC и CO все еще остается проблематичным.

Следовательно, каждое топливо имеет положительные и отрицательные свойства для использования в двигателях внутреннего сгорания. Существуют различия во влиянии каждого альтернативного топлива на выбросы и работу двигателя. В будущем можно будет провести исследования для получения подходящего гибридного топлива путем сравнения этих альтернативных видов топлива, чтобы снизить все выбросы и улучшить характеристики двигателя.

Сокращения

Двигатель внутреннего сгорания — Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. ^[1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон идеального газа

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math].Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. ^[1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, газ внутри нее расширяется. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (Рисунок 1). Прикрепив поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. ^[2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого сгорания двигатель выпускает газ. Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, использующий турбину , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, поскольку они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

на главную

Хотя существует много типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

1. Топливо впрыскивается в камеру.
2. Загорается топливо (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и двуокись углерода. Могут присутствовать и загрязнители, такие как окись углерода от неполного сгорания.

Двигатель двухтактный

на главную

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, ^[6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется как клапан системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход. В целом двухтактный двигатель содержит два процесса:

1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отходящее тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

на главную

В двигателе этого типа есть ротор (внутренний круг, обозначенный буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет обычные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора , создавая три такта мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1.1} Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
5. ↑ «Файл: Двухтактный двигатель.gif — Wikimedia Commons «, Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif