Где используется двс: Где ещё, кроме автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?

Содержание

Альтернативные силовые установки для транспортных средств

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) уже почти 200 лет служат человечеству. Однако их широкое использование оборачивается целым рядом экологических и ресурсных проблем. 26% всех выбросов антропогенных парниковых газов вызваны сжиганием ископаемого топлива. При этом более 90% топлива, используемого для автомобилей, судов, локомотивов и самолетов, получено из нефти. При сгорании нефтепродуктов в атмосферу выделяются крайне вредные окись углерода, двуокись углерода, углеводороды, окислы азота и другие компоненты. Загрязнение воздуха выступает причиной каждой девятой смерти в мире и признано одним из крупнейших вызовов в области здравоохранения и окружающей среды. В ряде развитых стран принимаются активные меры по постепенному переводу транспорта с ДВС и расширению использования альтернативных источников топлива. Так, Германия приняла закон о запрете продажи новых автомобилей с ДВС с 2030 г. Страна планирует к 2050 г.

сократить автомобильные выхлопы до нуля. Аналогичные инициативы обсуждаются в других странах ЕС, США, Индии.
Более активное использование современных альтернативных силовых установок позволит снизить объем вредных выбросов в атмосферу Земли, сократить расходы на содержание транспортных средств и увеличить их КПД. Разработка таких технологий даст возможность странам, испытывающим дефицит традиционного топлива, уменьшить свою энергетическую зависимость. Ниже рассмотрены перспективные технологии новых типов двигателей для автомобилей, работающих на альтернативном топливе: водородные и метанольные топливные элементы для электромобилей, а также двигатели внутреннего сгорания на диметиловом эфире.

Версия для печати:

ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Использование водорода в качестве топлива возможно в транпортных средствах как с ДВС, так и с водородными топивными элементами. Однако традиционные поршневые ДВС приспособить к работе на водороде и сложно, и дорого (стоимость эксплуатации и обслуживания такой водородной силовой установки примерно в 100 раз выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания).

Альтернативные вариантом являются топливные элементы (ТЭ), преобразующие химическую энергию топлива в тепло и постоянный электрический ток, питающий электродвигатель или системы бортового питания транспортного средства. ТЭ представляет собой непрерывно перезаряжаемую батарею из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подается водород, через другой — чистый кислород или кислород из воздуха, к которым постоянно добавляются химическое топливо и окислитель. Соединение водорода с кислородом обычно происходит внутри пористой полимерной мембраны.
Водородные ТЭ намного более экологичны, эффективны (их КПД составляет 45%, современного автомобильного ДВС — 35%), надежны, способны работать при низких температурах, при этом менее габаритны. Они могут применяться в качестве силовых установок в гибридных автомобилях, а в электромобилях — в качестве суперконденсаторов.

Эффекты

Экологичность: при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода

Распределенное энергоснабжение: водород в виде неиспользованного электричестваможно применять для питания домашней электросети

Возможное сокращение общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г.

Оценки рынка

70 тыс. в год

к 2027 г. составит выпуск новых водородных автомобилей в мире

Драйверы и барьеры

Удобство использования автомобильной техники на ТЭ (не требуют перезарядки, моментально поставляют электроэнергию, выработка энергии ТЭ не зависит от времени суток, погодных условий и др.)

В перспективе открытие более дешевых и эффективных катализаторов для получения водорода позволит значительно снизить стоимость производства водородных ТЭ

Высокие затраты на выработку водорода: от $4 до $12 за килограмм в разных странах (бензин-галлоновая эквивалентная стоимость составляет от $1,60 до $4,80)

Отсутствие автомобильной инфраструктуры

Сложность в эксплуатации: уязвимость к ударным нагрузкам и сотрясениям, взрывоопасность, при низких температурах ТЭ требуют внешнего подогрева из-за замерзающей воды

Отсутствие единых стандартов безопасности, хранения, транспортировки, распределения и применения водородных ТЭ

Международные

научные публикации

Международные

патентные заявки

Уровень развития

технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.

МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Метанол — высококачественное моторное топливо для ДВС — хорошо зарекомендовал себя и как энергоноситель в ТЭ, используемых в портативной электронике, транспортных приложениях, а также в электромобилях. В ТЭ метанол расщепляется при взаимодействии с атмосферным кислородом (воздухом), в результате этой реакции возникает электрический ток и образуется вода в качестве побочного продукта.

В настоящее время разрабатываются технологии получения метанола из природного газа (минуя синтез-газ) посредством гидрирования из промышленных выбросов углекислого газа (в долгосрочной перспективе его научатся извлекать прямо из окружающего воздуха). Также ведутся разработки по производству биометанола из биомассы (лигноцеллюлозы), что послужит толчком к массовому распространению метанольных ТЭ.

Эффекты

Сокращение выбросов углекислого газа более чем на 70% при расщеплении биометанола в ТЭ

Электромобили нового типа могут проезжать до 800 км на одном заряде батареи с применением метанольных ТЭ

Оценки рынка

40 млн ед.

к 2020 г. составит объем рынка автотранспортных средств, работающих на метанольных ТЭ (благодаря чему на 104 млн т будут сокращены выбросы углекислого газа по сравнению с объемом выбросов от автомобилей на бензиновом ДВС)

Драйверы и барьеры

Экологичность: метанол менее биологически опасен, чем нефтепродукты

Возможность использования существующей транспортной инфраструктуры для заправки транспортного средства

Простота эксплуатации: в частности, метанол не улетучивается при транспортировке

Возможно создание технологии производства биометанола в промышленных масштабах, что увеличит его использование в ТЭ

Высокая себестоимость производства метанола с помощью существующих технологий

Используемые в качестве катализаторов в ТЭ драгоценные металлы (платиноиды) значительно повышают рыночную стоимость установок и вырабатываемой ими энергии

Международные

научные публикации

Международные

патентные заявки

Уровень развития

технологии в России

ДВИГАТЕЛИ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ

Серьезным конкурентом традиционным видам ископаемого и синтетического топлива и основной альтернативой дизелю может стать диметиловый эфир (ДМЭ). В сравнении с дизельным топливом эфир лучше горит и более экологичен (не содержит серы, в течение суток полностью разлагается в атмосфере на воду и углекислый газ). Это в целом более чистое топливо, некоррозионноактивное, нетоксичное, не вызывает мутаций, в том числе канцерогенного характера.

Сегодня ДМЭ производится из переработанного угля, природного газа, биомассы, бытовых и промышленных отходов. Также разрабатывается синтетическое биотопливо второго поколения (BioDME), которое может быть изготовлено из лигноцеллюлозной биомассы. Преобразовать дизельный двигатель в ДМЭ-двигатель можно без больших затрат, что будет стимулировать массовое распространение технологии.

Эффекты

Значительное сокращение уровня вредных выбросов с отработавшими газами: оксидов азота в 3-4 раза, углеводородных соединений — в 3 раза, угарного газа — в 5 раз, при практически бездымной работе двигателя во всех режимах

Повышение экономичности ДВС (до 5%) и его КПД по сравнению с работой на дизельном топливе

Оптимизация расходов на производство и транспортировку топлива (сократятся в 10 раз относительно показателей сжиженного природного газа)

Легкое преобразование ДМЭ в бензин, характеризующийся высокой стабильностью и повышенным экологическим качеством, минимальным содержанием нежелательных примесей (отсутствие серы, незначительное содержание бензола (0,1% при норме 1%), непредельных углеводородов (~1%))

Создание дополнительных рабочих мест в добывающей промышленности благодаря развитию производства диметилового эфира из ископаемого сырья (природный газ, уголь)

Оценки рынка

$9,7 млрд

к 2020 г. достигнет объем глобального рынка ДМЭ (среднегодовые темпы роста 16-19% в 2015-2020 гг.)

Драйверы и барьеры

Ужесточение экологических стандартов

Наличие соответствующей инфраструктуры: применение ДМЭ не требует серьезной конструкционной доработки дизельных двигателей и установки специальных фильтров. Использование ДМЭ на автомобилях с ДВС возможно даже при 30%-м его содержании в топливе без трансформации систем питания и зажигания двигателя.

Масштабная сырьевая база: сырьем для производства ДМЭ является природный газ, доказанные запасы которого в России по состоянию на 2015 г. остаются крупнейшими в мире.

Ряд нерешенных проблем с хранением ДМЭ

Сравнительно высокая рыночная цена ДМЭ относительно других видов топлива

При производстве ДМЭ затрачивается существенно больший объем сырьевого газа, чем для других топливных продуктов с эквивалентной теплотворной способностью

При меньшей в 1,5 раза полноте сгорания по сравнению с дизельным топливом увеличивается расход ДМЭ в 1,5–1,6 раза

ДМЭ является наркотическим галлюциногенным веществом

Международные

научные публикации

Международные

патентные заявки

Уровень развития

технологии в России

Мотор в будущее

Почему у двигателя внутреннего сгорания все еще нет серьезной альтернативы, узнал Кирилл Журенков

У двигателя внутреннего сгорания, без которого невозможно представить современный транспорт, юбилей — 195 лет. Однако полноценной замены имениннику так и не изобрели

Современный автомобиль, каким мы его знаем, рождался, наверное, целый век, и каждый из его дней рождения — исторический. Судите сами: 125 лет назад двумя венгерскими учеными, Донатом Банки и Яношем Чонка, запатентован карбюратор — устройство, где готовится горючая смесь для автомобильного двигателя. Долгое время его изобретателем вообще-то считался немец Вильгельм Майбах, запатентовавший карбюратор раньше венгерских коллег, и лишь после специальной экспертизы выяснилось — Банки и Чонка опередили его с публикацией. Счет шел на месяцы!

Но, пожалуй, еще важнее другая дата: в 1823 году, то есть 195 лет назад, другой инженер, британец Сэмуэль Браун, запатентовал первый получивший успех и коммерческое приложение двигатель внутреннего сгорания (ДВС)! Оговоримся: и на этот почетный титул — изобретателя ДВС — также претендует множество инженеров, выбирай любого. Вот, к примеру, один из претендентов — француз Жозеф Нисефор Ньепс больше известный как один из изобретателей фотографии. Он еще в 1807 году вместе с братом создал прототип ДВС, названный пирэолофором. Пирэолофор был установлен на корабль и успешно испытан, после чего братьям выдали патент, подписанный самим Наполеоном. Был в истории ДВС и русский след: бензиновый двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием — разработка российского конструктора сербского происхождения Огнеслава Костовича, известного проектами дирижабля, вертолета и даже рыбы-лодки.

Парадокс в другом: ни один из изобретателей этого чуда техники не был уверен, что его усилия пригодятся. Сегодня об этом уже не помнят, но с ДВС тогда конкурировали паровой и… электрический двигатель, изобретенный еще в 1828 году!

— Период, когда люди выбирали тип двигателя для безлошадных повозок (так называемое осевое время автомобилизма), пришелся как раз на конец XIX века,— говорит шеф-редактор журнала «Авторевю» Леонид Голованов. — Так вот, вплоть до середины 1900-х параллельно выпускались машины со всеми тремя типами силовых установок: ДВС, электроприводом и паровым двигателем. В результате победил двигатель внутреннего сгорания, причем заслуженно — он оказался эффективнее, проще в эксплуатации и более пригоден для массового производства. Но главное — сочетание энергоемкости, цены и скорости заправки, которое обеспечивало моторное топливо. Альтернативы этому не было!

О «нефтяном факторе» в успехе двигателя внутреннего сгорания говорит и декан транспортного факультета Московского политехнического университета Пабло Итурралде. По его словам, выпуск машин на ДВС в начале ХХ века получил поддержку у нефтяной отрасли — ей нужен был мощный потребитель производимой продукции, и автомобили, работающие на бензине, идеально подошли для этого.

Парадокс нынешнего момента, впрочем, в другом: топливо, которое когда-то помогло двигателю внутреннего сгорания победить конкурентов, сегодня может… его похоронить.

Разберемся.

«Топливо-изгой», «Европа отказывается от двигателей внутреннего сгорания», «Объявлена война дизелю»… Европейские СМИ предупреждают: в Старом Свете решили всерьез взяться за ДВС. Повод нашелся в 2015-м, когда в результате так называемого Дизельгейта выяснилось: крупнейший европейский производитель дизельных моторов занижал количество вредных выбросов во время тестов. И вот время перемен: к примеру, в Великобритании запретить продажи новых автомобилей на бензиновых или дизельных ДВС собираются уже к 2040 году. А Норвегия ставит дедлайн еще раньше — на 2025 год… Чем собираются заменить ДВС? Конечно же, старым добрым электромотором, но и тут все не однозначно.

— Конец ДВС приближают сразу несколько факторов: ужесточившиеся требования к токсичности отработавших газов, истерика по поводу антропогенной природы глобального потепления и, безусловно, электромобили,— уверен Леонид Голованов.— Впрочем, до массового распространения электромобилей еще далеко, и сдерживает его отсутствие аккумуляторных батарей с достаточной энергоемкостью.

Иными словами, современные литий-ионные батареи не способны обеспечить переход на массовую электромобилизацию — нужен качественный скачок, батареи нового типа, например на основе графена. Вот только когда их изобретут… Как открыт и вопрос о перспективах так называемых гибридов — автомобилей, где электродвигатель совмещен с ДВС.

Приговор специалистов: человечество на перепутье. Жить с ДВС больше не хочется, а переходить на электромобили не получается, да и последствия такого перехода никто толком не просчитал.

— Вся инфраструктура наших городов рассчитана под двигатели внутреннего сгорания, и перемены идут с большим трудом: посмотрите на Европу — станции для подзарядки встречаются там гораздо реже, чем автозаправки,— говорит Пабло Итурралде из Московского политеха.— Прибавьте к этому скорость самого процесса — чтобы заправить обычный автомобиль, у вас уйдет пять минут. А для зарядки электромобиля понадобится минимум часа два. Так что переход на новую инфраструктуру в перспективе довольно трудозатратен: всегда есть соблазн потратить эти деньги на что-то другое, например на развитие общественного транспорта.

Леонид Голованов, в свою очередь, уверен, что переход на электромобили неизбежен. Но и он соглашается: последствия такого перехода будут столь масштабны, что сравнить их можно разве что с появлением беспилотных электрических робомобилей. Попробуем представить этот транспорт будущего: никаких дилерских сетей, автозаправочных станций, водителей и даже автослесарей — «умные» машины будут сами «сообщать» в специализированные сервисы о поломках тех или иных систем. Есть и более радикальный взгляд: мол, двигатели будущих робомобилей почти не будут ломаться, а на старомодные ДВС, которые мог разобрать любой мальчишка, мы станем любоваться разве что в музеях. Впрочем, до этого еще надо дожить — или доехать.

экспертиза

Преждевременный энтузиазм

Игорь Моржаретто, партнер аналитического агентства «Автостат», автоэксперт

Появление двигателя внутреннего сгорания (ДВС) — это новый этап промышленной революции, перевернувший всю мировую экономику. До этого она пребывала в полусредневековом состоянии, а с появлением двигателя внутреннего сгорания и дешевого автомобиля, который мог доставить товары и грузы по всему миру на дальние расстояния, изменилась коренным образом. Изменилась и жизнь людей. Специалисты называют это транспортной доступностью «по Форду»: появилась возможность купить автомобиль и поехать на нем куда-то.

Так вот, с моей точки зрения, КПД двигателя внутреннего сгорания далеко не исчерпан. За последние 10–20 лет его параметры очень сильно изменились: он стал более экономичным, мощным, экологичным. К сожалению, сейчас сворачиваются дальнейшие разработки по ДВС, особенно по дизелю. Все кричат, что наше светлое будущее — это электродвигатели. Но перспективы есть и в других отраслях, например в нескольких странах работают над водородными топливными элементами. Возможно, какие-то прорывы будут и с двигателем на ядерном топливе…

А вот что касается электромобилей, то с ними еще очень много нерешенных вопросов.

Ключевой из этих вопросов: на сегодняшний день так и не создан аккумулятор, который позволил бы электромобилю на одном заряде проехать большое расстояние в любую погоду.

Сегодня максимум, который он может преодолеть,— это 300 км при теплой погоде и ровной дороге без пробок. Это много, но, к примеру, в условиях России явно недостаточно.

К тому же современные аккумуляторы чудовищно дороги. Если не будет государственной поддержки, электромобиль просто никто не купит: сегодня он стоит в 2,5—3 раза дороже, чем автомобиль с ДВС того же класса. И соответственно, все те продажи, которые идут в мире, происходят при поддержке разных государственных программ. Когда будет создан дешевый и мощный аккумулятор? Никто не знает. Его обещали создать и год, и пять лет назад…

Еще одна принципиальная проблема, связанная с электромобилями, заключается в том, что при выработке электроэнергии все равно расходуется топливо, просто другое. 60 процентов электростанций (а это они вырабатывают электроэнергию, которая используется для зарядки электромобилей.— «О») в мире сегодня, напомню, работает на угле и, соответственно, загрязняют окружающую среду.

Нельзя не упомянуть и об отсутствии программы утилизации аккумуляторов. Одна компания — мировой лидер по производству электромобилей — после 7 лет эксплуатации забирает эти аккумуляторы и предлагает их владельцам частных домов в качестве аварийного источника энергии. То есть утилизировать их не умеют… В общем, как мне кажется, энтузиазм стран и правительств по поводу электромобилей несколько преждевременен: без госпрограмм поддержки все это долго не продержится. А вот прощаться с ДВС я бы не торопился…

брифинг

Торстен Мюллер-Отвос, гендиректор английской компании, выпускающей автомобили класса люкс

Мы представим электрическую модель в следующем десятилетии, однако не будем спешить убирать ДВС из портфолио. Переход к электрокарам будет постепенным, и какое-то время они пойдут параллельно… Беспилотники станут для нас интересны тогда, когда они будут функциональными, удобными в использовании, не требующими усилий и полностью автономными, то есть тогда, когда они смогут полностью заменить водителя. Вот тогда мы скажем: «Давайте сделаем это».

Александр Фертман, директор по науке, технологиям и образованию фонда «Сколково»

Александр Фертман, директор по науке, технологиям и образованию фонда «Сколково». Фото: Sk.ru

Те горизонты, которые сегодня нарисованы в Европе по поводу отказа от двигателя внутреннего сгорания, наводят на мысль, что это серьезный технологический рывок. А главное, что создается огромный рынок. <…> Новые виды аккумуляторов постоянно разрабатываются, эта тема одна из самых инвестируемых, если не говорить об IT-секторе. И это не только сама батарея, это и система управления. Здесь, кстати, у России действительно есть интересные проекты. Важно не только то, как вам отдает энергию батарея, но и то, как вы управляете ячейками, чтобы ячейки разряжались одновременно, равномерно.

Коджи Нагано, автодизайнер

— Каким будет автомобиль лет через 30?

— Думаю, внешний вид автомобилей будет сильно зависеть от типа двигателя. Но, как и раньше, автомобилю нужен будет кузов, внутреннее пространство, колеса. Если говорить об автомобиле будущего, то есть такая жутко интересная вещь, как 3D-принтер. И я могу себе представить, что скоро каждый человек сможет создать автомобиль у себя дома, просто напечатать именно тот, который нужен ему. Возможно, он нарисует этот автомобиль сам или использует готовый дизайн.

Источник: kommersant.ru

типы, нюансы, характеристики :: Autonews

BMW i3 отметилась опцией под названием range extender, то есть увеличитель запаса хода — ДВС в большинстве случаев бездействует, но готов прийти на помощь, если у вас закончилось электричество. (Фото: BMW)

Но в реальности этот метод приводит к двойным потерям энергии: сначала на преобразование топлива в электричество, а потом на передачу его к колесам. Поэтому в чистом виде такая схема не используется, зато отдельные модели вроде BMW i3 или Chevrolet Volt отметились опциями под названием range extender, то есть увеличитель запаса хода — ДВС в большинстве случаев бездействует, но готов прийти на помощь, если у вас закончилось электричество. Считайте, просто генератор, который всегда с собой.

Последовательно-параллельные гибриды (parallel-series-hybrid)

Особая категория, представленная, по сути, только запатентованными изобретениями компании Toyota и отдельными силовыми установками, сделанными по лицензии. Здесь ДВС и электричество работают как единое целое, постоянно и бесшовно распределяя энергию туда, где она нужна. Самое массовое применение технология нашла на Toyota Prius, где без особых изменений используется уже почти 15 лет.

Называется этот уникальный привод Hybrid Synergy Drive, а примечателен он в первую очередь тем, что лишен обычной трансмиссии — в то время как в большинстве гибридов используются вариаторы, «роботы» или классические «автоматы». Здесь же два электромотора объединены с ДВС через хитрую планетарную передачу, которая вообще стирает границу между двумя мирами для конечного пользователя. Самый яркий пример — бензиновый двигатель здесь может одновременно работать на разгон и заряжать батареи, если вы не требуете от машины максимальной динамики.

Подключаемые гибриды (plug-in hybrid, PHEV)

Главный принцип здесь один: наличие отдельного разъема для зарядки аккумуляторов. При этом сам гибрид может быть как последовательным (тот же BMW i3 или Fisker Karma), так и параллельным (Porsche Cayenne e-Hybrid или Volvo XC60 Recharge). И если с первым случаем все понятно (по сути это электромобили с бензиновыми генераторами), то параллельные подключаемые гибриды интереснее. Идея заключается в том, что емкость батарей у таких автомобилей уже действительно солидная — например, у современного «Кайена» это 18 кВтч, то есть примерно треть от того, что можно найти в среднем электромобиле. Да и электромотор вполне самостоятелен: на многих подключаемых гибридах его мощность превышает 100 лошадиных сил.

Иными словами, при определенных сценариях вы можете ездить на такой машине, как на настоящем электрокаре: запас хода составляет несколько десятков километров, разгоняться можно до сотни с лишним километров в час — но делать надо все плавно. Прикатили по пробкам в центр на работу, вечером вернулись домой, подзарядились от розетки — и никаких выбросов. При этом в вашем распоряжении остается и настоящий бензиновый двигатель — со всей своей мощностью, универсальностью и возможностью заправляться когда угодно и сколько угодно. Нажимаете акселератор посильнее, и он включается в работу.

Новый способ приготовления горючей смеси в ДВС — Энергетика и промышленность России — № 22 (234) ноябрь 2013 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 22 (234) ноябрь 2013 года

Практическая реализация этих направлений достигалась в том числе за счет использования широкого диапазона углеводородных горючих: от бензинов и керосинов – до высоковязких мазутов и сырой нефти. А также – за счет применения различных способов, схем и параметров подачи топлива и воздуха для приготовления горючей смеси.

Влияние вида сжигаемого топлива

На сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания разработаны практически для каждого вида углеводородного горючего. Многие эксплуатационные показатели топлива, как известно, являются обязательными и необходимыми для выполнения теплового расчета ДВС.

Именно от планируемого к использованию топлива зависят тактико-технические характеристики и функциональные возможности двигателя. Так, элементарный состав топлива формирует качество сжигаемого горючего и его калорийность (теплоту сгорания или теплотворную способность), которые определяют расходы топлива, воздуха и продуктов сгорания, а также коррозионный износ цилиндров, газовыпускного тракта и экологическую чистоту двигателя. Вязкость и плотность используемого топлива влияют не только на прокачиваемость, качество распыла и испарение топлива, но и на маневренность двигателя (например, на время запуска и на время перехода с одного режима работы на другой), его взрывопожаробезопасность. Кроме того, элементарный состав топлива определяет полноту и теплонапряженность процесса сгорания топлива, а в конечном счете – мощность двигателя и его долговечность.

Влияние параметров топлива

На работу двигателей внутреннего сгорания не последнее влияние оказывают параметры подаваемого в него топлива. Основными параметрами подачи топлива в ДВС являются его давление и расход, при этом каждый тип двигателя имеет свои показатели указанных параметров. Необходимо отметить, что расход топлива на двигатель – это производная от его давления: чем выше давление топлива, тем больше его расход, и наоборот. Поскольку воспламенение и сгорание любого вида топлива происходят только в парогазовой фазе, то качественному и полному сгоранию топлива в двигателе должно обязательно предшествовать его полное испарение. Для перевода в паровую фазу жидкое горючее необходимо мелко распылить – между тем хорошо известно, что качество распыла определяется в том числе и величиной давления подаваемого топлива. Так, в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием для испарения топлива, происходящего до цилиндров в карбюраторе или инжекторе, достаточно атмосферного давления. В то же время в двигателях с воспламенением от сжатия (дизелях) для нормального процесса парообразования топлива, реализуемого во внутренней полости цилиндров, горючее необходимо подавать с избыточным давлением.

Таким образом, расход подаваемого в цилиндры топлива определяет мощность двигателя, а его давление – качество и полноту протекания процесса сгорания в цилиндрах.

Влияние воздуха

Атмосферный воздух, включающий в свой состав природный окислитель кислород, является обязательным и необходимым для организации и протекания процесса горения компонентом. Количество и способ подачи воздуха в двигатель влияют на количественно-качественные характеристики цепной реакции окисления горючего и, в конечном итоге, на мощность, экономичность и экологичность двигателя.

По Менделееву, на сжигание 1 килограмма углеводородного топлива теоретически необходимо 10 килограммов атмосферного воздуха. Недостаток, равно как и избыток, подаваемого в двигатель воздуха негативно сказывается на его работе. Так, недостаточное количество воздуха приводит к приготовлению обогащенной горючей смеси, снижению экономичности, долговечности, повышенному нагарообразованию на внутренних стенках цилиндров и газовыходного тракта двигателя и к интенсивному загрязнению природной среды продуктами неполного сгорания. В то же время избыток подаваемого на горение воздуха формирует обедненную смесь, что вызывает повышенное окисление конструкционных материалов внутренних полостей цилиндров и газовыходного тракта, снижение мощности двигателя, перерасход топлива, интенсивное тепловое загрязнение атмосферы и т. п.

Известно, что вид и структура углеводородных молекул, а также соотношение углерода к водороду (С:Н) в них различны и в процессе подачи топлива на горение изменяются ежемоментно. В связи с этим для полного сжигания топлива количество воздуха, подаваемого на приготовление горючей смеси, заранее завышается по сравнению с теоретически необходимым. Превышение количества фактически подаваемого воздуха над теоретически необходимым его количеством отражается через значение коэффициента избытка воздуха α, который при традиционном способе приготовления горючей смеси в сегодняшних двигателях внутреннего сгорания составляет от 1,1‑1,5 (при атмосферной подаче воздуха на приготовление горючей смеси) до 5,0 (при турбокомпрессорной подаче воздуха на приготовление горючей смеси).

О топливоподающей системе и подаче воздуха

Используемые сегодня топливоподающие системы ДВС были разработаны еще в начале XX века и, несмотря на ужесточение старых и появление новых (например, экологических) требований к двигателям, применяются до сих пор без принципиальных изменений.

Приоритет в совершенствовании топливных систем ДВС за прошедшее столетие отдавался главным образом количественным показателям. В частности – давлению топлива перед форсунками двигателя, величина которого выросла с 10‑50 кг / см² в начале XX века до 2000 кг/см² в начале XXI века. Повышение давления подаваемого топлива позволило, в конечном итоге, при сохранении массогабаритных характеристик двигателей добиться значительного увеличения их мощности.

Следует отметить, что сегодня топливоподающие системы двигателей внутреннего сгорания включают практически те же элементы, что и сто лет назад: топливную емкость, фильтры грубой и тонкой очистки, насос (для дизелей – топливоподкачивающий насос и топливный насос высокого давления), карбюратор или инжектор (для бензиновых двигателей), форсунки (для дизелей) и всасывающий, напорный, сливной трубопроводы.

Одновременно с топливоподающими системами стал применяться используемый до сих пор атмосферный способ подачи воздуха в двигатели.

Приоритет в совершенствовании способов подачи воздуха в двигатели отдавался не только количественным, но и качественным показателям, в частности увеличению напора и расхода воздуха, подаваемого на смешение с топливом, а также повышению степени турбулизации воздушного потока. Итогом такого подхода явилось широкое внедрение вентиляторного, а затем и турбокомпрессорного способов подачи воздуха в двигатель.

При атмосферном способе воздух поступает в воздушный коллектор за счет перепада давлений в атмосфере и в цилиндре двигателя при движении поршня в нижнюю мертвую точку. При вентиляторном способе формируется ламинарный воздушный поток, принудительно подаваемый в воздушный коллектор посредством приводимого во вращение от коленчатого вала вентилятора. Турбокомпрессорный способ предусматривает получение и подачу в воздушный коллектор турбулентного воздушного потока с помощью воздушного компрессора, приводимого во вращение расположенной в выходном коллекторе двигателя газовой турбиной.

Совершенствование способов подачи воздуха в ДВС позволило, не повышая расхода топлива и сохранив массогабаритные характеристики, достичь более высоких показателей мощности двигателей – главным образом за счет активизации и интенсификации процесса горения и повышения, таким образом, теплонапряженности в цилиндрах. Так, применение вентиляторного способа позволило увеличить мощность двигателя в полтора-два раза, а турбокомпрессорного – в два – два с половиной и более раз по сравнению с использованием атмосферного способа подачи воздуха.

Традиционный способ

Сегодня во всех двигателях внутреннего сгорания используется одинаковый способ приготовления горючей смеси, в котором в качестве первичной среды выступает топливо, а вторичной – воздух. Этот способ применяется более ста лет и стал уже традиционным. Суть его в следующем. Распыленное до мельчайших (20 мкм и менее) частиц топливо подается в поток атмосферного воздуха, который, перемешиваясь с горючим, образует топливовоздушную аэрозоль. Впоследствии горючая аэрозоль зажигается электрическим разрядом от свечи (в бензиновых двигателях) или самовоспламеняется от сжатия (в дизельных двигателях) и сгорает.

Условно процесс сгорания топлива в цилиндре можно разделить на три стадии (начальную, среднюю, конечную). В начальной стадии топливовоздушная смесь охватывается пламенем, происходит ее воспламенение и формирование первичного очага пламени, интенсивное испарение поверхностного слоя горючего и его горение в тонкой паровой фазе.

Продолжительность начальной стадии определяется скоростью тепловыделения реакции окисления. Средняя стадия процесса горения характеризуется интенсивным распространением пламени по всему объему горючей смеси. Скорость сгорания смеси резко увеличивается вследствие увеличения площади контакта взаимодействующих компонентов (поверхности испарения) и турбулизации смеси. На конечной стадии происходит догорание топлива, падение скорости и прекращение распространения пламени, вызванные резким снижением количества кислорода.

Следует отметить, что в реакции окисления углеводородного топлива участвует только теоретически необходимое количество воздуха. Остальной же воздух (избыток) в реакции горения (окисления) участия не принимает, а проходит транзитом через зону горения и, мгновенно нагреваясь от температуры окружающей среды до температуры в цилиндре, сбрасывается горячим в составе выхлопных газов в атмосферу, являясь причиной ее интенсивного теплового загрязнения. При этом на нагрев избыточного воздуха дополнительно затрачивается углеводородное топливо, что приводит к его перерасходу. Очевидно, что с повышением избытка воздуха увеличивается и количество затраченного на его нагрев сжигаемого топлива.

О новом способе приготовления горючей смеси

Наряду с традиционно применяемым способом приготовления горючей смеси существуют и другие способы, например струйно-кавитационный.

В основу этого способа положены физические явления, возникающие во внутренних полостях струйных аппаратов при их прокачке жидкими и газообразными средами. При струйно-кавитационном способе приготовления горючей смеси в качестве первичной среды используется не топливо, а атмосферный воздух.

Суть его заключается в следующем. Заданное (как правило, близкое к теоретически необходимому) количество воздуха всасывается из атмосферы и под давлением выше атмосферного подается в струйный насос. При высокоскоростном течении воздуха через внутреннюю полость проточной части насоса в его приемной камере создается разрежение, достаточное для самовсасывания вторичной среды – жидкого топлива.

При самовсасывании топлива его углеводородные молекулы расщепляются на молекулы меньшей молекулярной массы, отдельные атомы и топливные радикалы и в таком виде смешиваются с воздухом. В результате на выходе из насоса получается высококачественная гомогенная (размеры топливных частиц не превышают 10 мкм) воздушно-топливная (а не топливо-воздушная) аэрозоль, которая затем поступает непосредственно на горение. Количество топлива в смеси регулируется расходом воздуха на насос, а качество распыла (дисперсность) – давлением рабочего воздуха. С увеличением давления и количества подаваемого воздуха повышается и количество всасываемого топлива, и наоборот.

Характеристики подаваемой на горение горючей смеси, близкие к оптимальным, поддерживаются расходом и давлением воздуха перед насосом. Использование струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси позволяет регулировать мощность двигателя посредством изменения расхода и давления воздуха, подаваемого в струйный насос.

Струйно-кавитационный способ приготовления горючей смеси можно считать универсальным, поскольку он применим ко всем видам углеводородного топлива и топливосжигающим установкам.

Очевидно, что использование струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси потребует и принципиального качественно-количественного изменения топливо- и воздухоподающих систем двигателей.

На сегодняшний день струйно-кавитационный способ приготовления горючей смеси прошел лабораторные и промышленные испытания.

Выводы

Научно-технический прогресс, как известно, не стоит на месте и даже самые эффективные в свое время инженерные решения с годами устаревают и требуют замены на более совершенные. XXI век выдвигает новые требования и ставит новые задачи, в том числе и в области использования природных ресурсов, включая углеводородное топливо.

Все сказанное относится и к традиционному способу приготовления горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания, который используется вот уже более ста лет.

Мотор в будущее – Огонек № 31 (5527) от 20.08.2018

— Период, когда люди выбирали тип двигателя для безлошадных повозок (так называемое осевое время автомобилизма), пришелся как раз на конец XIX века,— говорит шеф-редактор журнала «Авторевю» Леонид Голованов.— Так вот, вплоть до середины 1900-х параллельно выпускались машины со всеми тремя типами силовых установок: ДВС, электроприводом и паровым двигателем. В результате победил двигатель внутреннего сгорания, причем заслуженно — он оказался эффективнее, проще в эксплуатации и более пригоден для массового производства. Но главное — сочетание энергоемкости, цены и скорости заправки, которое обеспечивало моторное топливо. Альтернативы этому не было!

Разберемся.

Кирилл Журенков

Экспертиза

Преждевременный энтузиазм

Игорь Моржаретто, партнер аналитического агентства «Автостат», автоэксперт

А вот что касается электромобилей, то с ними еще очень много нерешенных вопросов.

Брифинг

Торстен Мюллер-Отвос, гендиректор английской компании, выпускающей автомобили класса люкс

Источник: «Автопилот Онлайн»

Александр Фертман, директор по науке, технологиям и образованию фонда «Сколково»

Те горизонты, которые сегодня нарисованы в Европе по поводу отказа от двигателя внутреннего сгорания, наводят на мысль, что это серьезный технологический рывок. А главное, что создается огромный рынок. Новые виды аккумуляторов постоянно разрабатываются, эта тема одна из самых инвестируемых, если не говорить об IT-секторе. И это не только сама батарея, это и система управления. Здесь, кстати, у России действительно есть интересные проекты. Важно не только то, как вам отдает энергию батарея, но и то, как вы управляете ячейками, чтобы ячейки разряжались одновременно, равномерно.

Источник: «Эхо Москвы»

Коджи Нагано, автодизайнер

— Каким будет автомобиль лет через 30?

Источник: Autonews

О двигателе внутреннего сгорания : Кафедра ДВС : АлтГТУ

Весьма скромный по габаритам, малютка в сравнении с такими монстрами энергетики, как гидравлические, тепловые и атомные станции, но далеко не простой по конструкции, впитавший в себя все лучшие мировые достижения в технологиях, материалах, нефтехимии, гидравлики, электротехники и электроники, двигатель внутреннего сгорания обеспечивает более 90% от суммарного объема мощности всех установленных энергетических агрегатов мира.

На первый взгляд, это феномен, так как мощность единичного ДВС относительно невысокая: от десятой доли киловатта до десятков тысяч. Но никакого феномена нет. Двигатель весьма востребован в деятельности человека и берет фантастическими объемами, массовостью производства. Он всюду — где человек, там и он. На земле и под землей, на воде и под водой, в околоземном пространстве и в космосе. Нет сферы деятельности человека, где бы не использовался ДВС, и в этом его первая особенность.

Вторая особенность в том, что именно ДВС, осуществляя энергообеспечение машин и механизмов, на которые он устанавливается, главным образом и обеспечивает качество и прогресс в развитии этой техники. Легендарный танк Т-34 времен Великой Отечественной войны стал эталоном боевых машин благодаря установленному на нем дизелю Д-12, производство которого осуществлялось и на барнаульском заводе «Трансмаш». Современный легковой автомобиль стал таким, какой он есть: экономичным, надежным, комфортным, безопасным, динамичным, эргономичным благодаря значительным успехам, достигнутым в конце прошлого и начале нынешнего столетия в развитии двигателестроения. Газотурбинный регулируемый и динамический наддув, непосредственный впрыск бензина, многоклапанные системы газораспределения с изменяемыми фазами, рециркуляция отработавших газов, электронные системы управления, гибридные двигатели (ДВС + электрическая машина) — вот далеко не полный перечень мероприятий, которые позволили современному ДВС обеспечить жесткие требования ЕВРО по удельной мощности и вредным выбросам, по расходу топлива и масла, приемистости, экономичности мобильных машин. Шестьдесят киловатт мощности с литра объема цилиндра дизеля (в бензиновых еще выше), менее четырех литров топлива на 100 км пробега, разгон до 100 км/час менее чем за 5 секунд.

Но это не предел — эволюционное развитие двигателя продолжается. Впереди новые задачи, среди них — расширение создания гибридных двигателей, использование водорода как топлива, адаптация двигателя к работе на биологическом топливе и др.

Вы, нынешние абитуриенты, а затем студенты — бакалавры и магистры, будете их решать и решите, ведь прогресс в энергетике остановить невозможно.

плюсы и минусы двигателей GDI, что это такое

Gasoline Direct Injection, или же более распространенная аббревиатура GDI, скрывает под собой инжекторную систему подачи топлива для бензиновых двигателей с непосредственным (прямым) впрыском топлива. Конструкция устройств у разных производителей идет под разными аббревиатурами. Mitsubishi (а также KIA и Hyndai) дали название GDI, Volkswagen – FSI, Ford – Ecoboost, Toyota – 4D, Mercedes, BMW и некоторые другие скрывают понятие «непосредственный впрыск» в индексе двигателя. При таких системах подачи топливные форсунки вставлены в головку блока цилиндров, и распыление происходит сразу в каждую камеру сгорания, минуя впускной коллектор и впускные клапана. Топливо подается под большим давлением в цилиндр, чему способствует топливный насос высокого давления (ТНВД).

Отличия и особенности работы двигателей GDI прямого впрыска топлива

По факту мы имеем некий симбиоз дизельного и бензинового двигателей в одном. От дизеля GDI унаследовал систему впрыска и ТНВД, от бензина – сам тип топлива и свечи зажигания. Родоначальником моторов GDI стала компания Mitsubishi, когда в 1995 году был представлен Mitsubishi Galant 1.8 GDI. Сегодняшний двигатель с непосредственным впрыском. Это сложная система механизмов и электронных блоков по характеру и звукам в работе, напоминающим дизель.

Двигатель с непосредственным впрыском топлива явился миру гораздо раньше. В 1950-х годах такие моторы использовал Daimler-Benz на своих гоночных машинах, позже в гражданских, а в авиации они присутствовали еще в начале 1940-х годов.

Различия (разновидности) двигателей GDI. Марки автомобилей, где используется GDI

Предпосылки создания и массового перехода большинства ведущих автопроизводителей на системы впрыска, аналогичных GDI, были достаточно предсказуемы. Экологические нормы, требующие усовершенствования систем выхлопа отработанных газов, а также глобальная задача по созданию экономичных двигателей.

В двигателях GDI реализованы несколько типов смесеобразования топливовоздушной смеси. Это позволило выполнить задачи по экономии топлива, более полному сгоранию смеси и дополнительно увеличить мощность. В совокупности такой двигатель получился благодаря доработанной системе прямого впрыска, где немалую роль играет электронная начинка. Блок управления через датчики, раскиданные по системе, оперативно реагирует на малейшие изменения поведения автомобиля и подстраивает работу топливной системы под необходимые требования водителя.

Преимущества (плюсы) двигателей GDI

Особенностью двигателей с непосредственным впрыском является возможность работы в нескольких видах смесеобразования. Это является неоспоримым плюсом, так как многообразие в данном виде процедуры дает максимальную эффективность использования топлива. При исправно работающей системе непосредственного впрыска мы получим экономию топлива за счет режима работы на сверхобедненной смеси, причем без потери мощности.
В двигателях GDI присутствует увеличенная степень сжатия топливовоздушной смеси. Это помогает избежать калильного зажигания и детонации, и таким образом, увеличивается ресурс.
Также к положительным моментам двигателя с непосредственным впрыском GDI нужно отнести существенное снижение выброса в атмосферу углекислого газа и других вредных веществ. Это достигается за счет многослойного смесеобразования, которое обеспечивает более полное сгорание смеси, что дополнительно влияет на мощность двигателя.

Система GDI в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

послойное;
стехиометрическое гомогенное;
гомогенное.

Такое многообразие делает работу двигателя экономичной, обеспечивает лучшее качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов.

Недостатки (минусы) двигателей GDI

Описание двигателей GDI было бы не полным без упоминания отрицательных моментов ах эксплуатации.

Главный минус связан со сложностями системы впуска и подачи топлива. В таком варианте впрыска, двигатель GDI становится крайне чувствительным к качеству используемого топлива. В итоге проблема закоксовывания форсунок становится актуальной для водителя. Она вызовет потерю мощности и увеличение расхода топлива.
Также в минусы можно отнести сложность обслуживания и стоимость ремонта, замены деталей и агрегатов топливной системы, поэтому важным моментом является контроль за состоянием топливной системы автомобиля.
Дополнительно, двигатели GDI и другие с непосредственным впрыском топлива, выбрасывают большее количество сажевых частиц, чем устройства с впрыском MPI (распределенным, в коллектор), что вынуждает ставить сажевые фильтры в последних поколениях моторов.
Также, двигатели GDI склонны к нагарообразованию во впускном коллекторе и на клапанах при пробеге более 100 тысяч километров, что вынуждает владельцев обращаться в сервис для очистки.

В обслуживании двигатель GDI дороже, но рабочие характеристики перекрывают этот минус. Тем более, есть средства, помогающие повысить ресурс капризных деталей и узлов.

Профилактика неисправностей моторов GDI

Профилактика – простое решение для владельца автомобиля с системой непосредственного впрыска двигателя GDI или аналогичными системами. Как мы уже писали выше, качество топлива будет играть основную роль. Понятно, что без лабораторных исследований судить о качестве этой составляющей невозможно, поэтому в качестве профилактических мер и защиты топливной системы от возникающих проблем могут помочь топливные присадки.

Компания Liqui Moly – один из мировых лидеров в производстве автохимии рекомендует для поддержания необходимого уровня смазывающих и очищающих присадок в используемом топливе применять Langzeit Injection Reiniger, артикул 7568. Постоянное применение присадки значительно снизит риск возникновения поломок связанных с топливом. Пакеты присадок, поднимающие смазывающие свойства топлива, надежно защитят топливную аппаратуру от скорого износа.

Для лечения и профилактики загрязнений форсунок также есть надежное средство, артикул 7554 очиститель систем непосредственного впрыска топлива Direkt Injection Reiniger. Заменяет стендовую очистку форсунок, работает по нагару, смолам. Немаловажный момент, что топливные присадки Liqui Moly начинают работать в системе при повышении температуры, то есть именно там, где чаще всего нужна очистка, а в баке происходит только смешивание с топливом.

Стоит ли покупать автомобили с двигателями GDI

При должном подходе и своевременном обслуживании владелец автомобиля с системой GDI получает комфортный в управлении автомобиль с высокой тягой, мощностью и хорошей экономией топлива. И как показывают продажи таких автомобилей, на дорогах встречаться они будут чаще.

Итог

Двигатели GDI были одними из первопроходцев систем непосредственного впрыска топлива. Обладая очевидными преимуществами, такие моторы требуют специального профилактического ухода. В первую очередь, это уход за форсунками. Наиболее простым способом является использование присадок в топливную систему. Производя профилактический уход за топливной системой автомобилей с двигателями GDI, автовладелец может продлить его ресурс и наслаждаться повышенной мощностью и динамикой.

Автопроизводители не стоят на месте, развитие и усовершенствование двигателей с системами непосредственного впрыска продолжается. Уже представлены автомобили с моторами T-GDI, но это уже другой рассказ.

Двигатель внутреннего сгорания — обзор

1.6 ДВИГАТЕЛИ С ПРЯМЫМ ВПРЫСКОМ, ДВУХТАКТНЫЕ И ДИЗЕЛЬНЫЕ

Помимо четырехтактного двигателя с искровым зажиганием (SI) широко используются два других двигателя внутреннего сгорания: двухтактный бензиновый двигатель и дизель. На транспорте двухтактный бензиновый двигатель используется в развивающихся странах для привода велосипедов, небольших мотороллеров и мотоциклов из-за его небольшого размера и веса, а также низкой стоимости. Дизель доминирует на рынке двигателей для грузовиков, поскольку его эффективность значительно выше, чем у двигателя с искровым зажиганием.Во многих странах дизельное топливо захватило значительную долю рынка автомобильных двигателей по тем же причинам, особенно в странах, где цены на топливо высоки и где дизельное топливо облагается меньшим налогом, чем бензин. Хотя основы процессов образования загрязняющих веществ аналогичны в этих двух других двигателях, детали значительно отличаются, и с дизельным двигателем возникает новая проблема — частицы выхлопных газов.

Двухтактный двигатель выпускает сгоревшие газы из цилиндра в основном за счет вдувания свежего воздуха в течение примерно одной трети каждого оборота коленчатого вала, когда кривошип проходит через свое нижнее положение.Чтобы сделать этот процесс продувки эффективным, значительная часть свежего воздуха, поступающего в цилиндр через перекачивающие каналы в нижней части гильзы цилиндра, неизбежно выходит прямо из выпускных отверстий (обычно расположенных на другой стороне гильзы). В простейших, небольших двухтактных двигателях SI с карбюратором бензин смешивается с воздухом перед поступлением в цилиндр. Таким образом, короткое замыкание воздуха прямо через цилиндр приводит к соответствующей потере топлива.Это существенный штраф за экономию топлива (до 25 процентов) и приводит к очень значительным выбросам углеводородов. Таким образом, в городах с большим количеством мотоциклов, мотороллеров, мотоциклов и трехколесных такси двухтактный двигатель является важным источником выбросов.

В результате значительных усилий по развитию за последние 15 лет был изучен потенциал использования прямого впрыска бензина в цилиндр, чтобы избежать потери топлива во время продувки. Эти усилия были нацелены на автомобильный, морской и мотоциклетный секторы.На рис. 1.10 показана одна из наиболее многообещающих технологий прямого впрыска, разработанная компанией Orbital Engine Company для двухтактных двигателей с продувкой картера. Необходимый контроль выбросов с помощью этой концепции достигается за счет прямого впрыска бензина в цилиндр с помощью инжектора с подачей воздуха, который обеспечивает хорошее рассеивание топлива с очень маленькими размерами капель после того, как поднимающийся поршень закрывает выпускные отверстия. Дополнительное управление продувкой достигается с помощью устройства управления потоком выхлопных газов (показано на рисунке), настроенной выхлопной системы с низкой термической инерцией и тесно связанного катализатора окисления для достижения быстрого отключения для управления HC и CO.NO _x контроль достигается внутри цилиндра. При двухтактном процессе продувки внутри цилиндра остается значительно больше сгоревших газов, смешанных со свежим воздухом, чем при четырехтактном процессе газообмена. Этот дополнительный остаточный сгоревший газ в топливно-воздушной смеси в цилиндрах значительно снижает пиковые температуры сгоревшего газа и скорость образования NO.

Рис. 1.10. Характеристики двухтактного бензинового двигателя SI

с непосредственным впрыском топлива (любезно предоставлено Orbital Engine Co.).

Будет ли эта новая технология с прямым впрыском и двухтактным циклом значительно проникнуть на рынок небольших двигателей / мотоциклов, будет зависеть от стоимости этих систем впрыска топлива. Получит ли она широкое распространение на автомобильном рынке, будет зависеть от того, в какой степени ее долговечность и стоимость могут быть улучшены в достаточной степени, чтобы оправдать усилия по разработке, необходимые для того, чтобы сделать возможным массовое производство этой технологии.

Дизель — наиболее эффективный из имеющихся в настоящее время двигателей и, следовательно, широко используется в транспорте (грузовые автомобили, автобусы, железные дороги и легковые автомобили), когда особенно важна экономия топлива.В наиболее эффективной форме дизельного топлива топливо впрыскивается с помощью системы впрыска под высоким давлением в камеру сгорания или чашу в верхней части поршня ближе к концу процесса сжатия, как показано на рисунке 1.11. Впрыснутое жидкое топливо распыляется, образует спрей, испаряется, смешивается с высокотемпературным воздухом и самовоспламеняется вскоре после впрыска. Как только начинается горение, оно продолжается, поскольку дополнительное топливо смешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Выбросы углеводородов и окиси углерода в дизельном топливе низкие, поскольку сгорание почти завершено, а двигатель всегда работает на обедненной смеси с избытком воздуха.Однако выбросы NO _x высоки из-за высоких температур сжигаемого газа. Технология трехкомпонентного катализатора, используемая для хорошего эффекта в стандартном бензиновом двигателе, не может использоваться для снижения уровней NO _x в выхлопных газах дизельных двигателей, поскольку выхлопные газы бедные, а не стехиометрические. Кроме того, процесс смешивания топлива с воздухом во время сгорания приводит к образованию частиц сажи в богатых участках каждой топливной струи. Некоторая часть этой сажи выживает в процессе сгорания несгоревшей и поглощает высокомолекулярные углеводороды из масла и топлива, а также серу в виде сульфата в выхлопных газах с образованием твердых частиц.

Рис. 1.11. (a) Современное малое высокоскоростное дизельное топливо с прямым впрыском и турбонаддувом с четырьмя клапанами на цилиндр. (b) Распыление топлива и характеристики камеры сгорания типа «чаша в поршне» (два клапана, наклонная топливная форсунка вне оси, глубокая чаша, высокая завихрение) и усовершенствованные (четырехклапанный, осевой инжектор, неглубокий резервуар, более высокое давление впрыска — 1600 бар, меньшее завихрение) технологии дизельных систем сгорания с непосредственным впрыском

(любезно предоставлено Ford Motor Co.), (любезно предоставлено Mercedes-Benz AG ).

Существенный контроль выбросов NO _x, особенно твердых частиц, от дизелей был достигнут путем модификации процесса сгорания.Использование оборудования для впрыска топлива с очень высоким давлением впрыска жидкого топлива (~ 2000 бар) и тщательное согласование геометрии камеры сгорания «чаша в поршне», движения воздуха и геометрии распыления значительно снизили образование сажи за счет увеличения количества топлива и воздуха. скорости смешивания. Более тщательный контроль поведения смазочного материала позволил снизить содержание высокомолекулярных углеводородных твердых частиц, которые абсорбируются сажей. Использование топлива с низким содержанием серы уменьшило сульфатный компонент твердых частиц.Катализаторы окисления в выхлопных газах дизельного топлива все чаще используются для дальнейшего снижения содержания растворимого органического компонента в твердых частицах. На сегодняшний день сокращение NO _x было достигнуто за счет тщательного контроля температуры воздуха на входе в двигатель (например, в двигателях с турбонаддувом используется дополнительный охладитель для достижения низкого уровня выбросов NO _x), а также за счет существенного замедления впрыска, чтобы задержать большую часть процесса сгорания до ранняя часть хода расширения. Последняя стратегия, конечно же, снижает расход топлива на несколько процентов.

В то время как дизель добился прогресса в сокращении выбросов (примерно в 3–4 раза для твердых частиц и в 2–3 раза для NO _x), что делает этот двигатель, который является наиболее эффективным из доступных двигателей, более Экологичность — важная задача разработчиков и конструкторов двигателей. Достижение существенного снижения выбросов NO _x является основной задачей. Часть этого сокращения может быть получена за счет рециркуляции выхлопных газов, а меньшая — за счет улучшения топлива.Что действительно необходимо, так это системы каталитического нейтрализатора выхлопных газов для снижения NO _x в низкотемпературной среде выхлопных газов дизельных двигателей с низким содержанием топлива. Также потребуются более низкие уровни твердых частиц.

В дополнение к этим двухтактным и высокоскоростным дизельным двигателям потенциально привлекательной новой технологией является четырехтактный двигатель с искровым зажиганием с прямым впрыском. Этот бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива уже производится в Японии, ⁶ обеспечивает повышенную экономию топлива и, следовательно, является одним из способов сокращения выбросов CO ₂ автомобиля.Однако выбросы выхлопных газов этого двигателя не лучше, чем у стандартного двигателя с искровым зажиганием, и, поскольку он обычно работает на обедненной смеси при небольшой нагрузке, он требует новой технологии катализатора для снижения NO _x.

Двигатель внутреннего сгорания — Энциклопедия Нового Света

Четырехтактный цикл (или цикл Отто)
1. Впуск
2. Компрессия
3. Мощность
4. Выпуск

Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, в котором сгорание топлива происходит в замкнутом пространстве, называемом камерой сгорания.Эта экзотермическая реакция топлива с окислителем создает газы с высокой температурой и давлением, которые могут расширяться. Отличительной особенностью двигателя внутреннего сгорания является то, что полезная работа выполняется расширяющимися горячими газами, действующими непосредственно, вызывая движение, например, воздействуя на поршни, роторы или даже путем нажатия и перемещения самого двигателя.

Это контрастирует с двигателями внешнего сгорания, такими как паровые двигатели, в которых процесс сгорания используется для нагрева отдельной рабочей жидкости, обычно воды или пара, которые затем, в свою очередь, работают, например, при нажатии на поршень, приводимый в действие паром.

Термин Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) почти всегда используется для обозначения поршневых двигателей, двигателей Ванкеля и аналогичных конструкций, в которых сгорание является прерывистым. Однако двигатели непрерывного сгорания, такие как реактивные двигатели, большинство ракет и многие газовые турбины, также являются двигателями внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания используются в основном на транспорте. Несколько других применений предназначены для любой переносной ситуации, когда вам нужен неэлектрический двигатель.Самым большим применением в этой ситуации будет двигатель внутреннего сгорания, приводящий в действие электрогенератор. Таким образом, вы можете использовать стандартные электроинструменты с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Преимущество этого — портативность. Этот тип двигателя удобнее использовать в транспортных средствах над электричеством. Даже в случае гибридных автомобилей они по-прежнему используют двигатель внутреннего сгорания для зарядки аккумулятора. Недостатком является загрязнение, которое они тушат. Не только очевидное загрязнение воздуха, но и загрязнение сломанными или устаревшими двигателями и отработанными частями, такими как масло или резиновые изделия, которые необходимо выбросить.Еще одним фактором является шумовое загрязнение, многие двигатели внутреннего сгорания очень громкие. Некоторые из них настолько громкие, что людям нужны средства защиты органов слуха, чтобы не повредить уши. Еще один недостаток — размер. Очень непрактично иметь маленькие двигатели, которые могут иметь любую мощность. Электродвигатели для этого гораздо практичнее. Вот почему более вероятно увидеть электрический генератор, работающий на газе, в районе, где нет электричества для питания более мелких предметов.

История

Демонстрация непрямого или всасывающего принципа внутреннего сгорания.Это может не соответствовать определению двигателя, потому что процесс не повторяется. Ранние двигатели внутреннего сгорания использовались для питания сельскохозяйственного оборудования, аналогичного этим моделям.

Первые двигатели внутреннего сгорания не имели компрессии, но работали на той топливно-воздушной смеси, которая могла всасываться или вдуваться во время первой части такта впуска. Наиболее существенное различие между современными двигателями внутреннего сгорания и ранними конструкциями заключается в использовании сжатия, в частности сжатия в цилиндре.

1509: Леонардо да Винчи описал двигатель без сжатия. (Его описание не может подразумевать, что эта идея исходила от него или что она действительно была построена.)
1673: Христиан Гюйгенс описал двигатель без сжатия. ^[1]
1780-е годы: Алессандро Вольта построил игрушечный электрический пистолет, в котором электрическая искра взорвала смесь воздуха и водорода, выпустив пробку из конца пистолета.
Семнадцатый век: английский изобретатель сэр Сэмюэл Морланд использовал порох для привода водяных насосов.
1794: Роберт Стрит построил двигатель без сжатия, принцип работы которого будет доминировать почти столетие.
1806: Швейцарский инженер Франсуа Исаак де Риваз построил двигатель внутреннего сгорания, работающий на смеси водорода и кислорода.
1823: Сэмюэл Браун запатентовал первый двигатель внутреннего сгорания для промышленного применения. Он был без сжатия и основан на том, что Харденберг называет «циклом Леонардо», который, как следует из этого названия, к тому времени уже устарел.Как и сегодня, раннее крупное финансирование в области, где стандарты еще не были установлены, досталось лучшим шоуменам раньше, чем лучшим работникам.
1824: Французский физик Сади Карно основал термодинамическую теорию идеализированных тепловых двигателей. Это научно установило необходимость сжатия для увеличения разницы между верхней и нижней рабочими температурами, но неясно, знали ли конструкторы двигателей об этом до того, как сжатие уже стало широко использоваться.Это могло ввести в заблуждение дизайнеров, пытавшихся подражать циклу Карно бесполезными способами.
1826 г. 1 апреля: американец Сэмюэл Мори получил патент на «газовый или паровой двигатель» без сжатия.
1838: Патент был выдан Уильяму Барнету (англ.). Это было первое зарегистрированное предположение о компрессии в цилиндре. Он, очевидно, не осознавал его преимуществ, но его цикл стал бы большим достижением, если бы был достаточно развит.
1854: итальянцы Эухенио Барсанти и Феличе Маттеуччи запатентовали первый работающий эффективный двигатель внутреннего сгорания в Лондоне (pt.Num. 1072), но в производство не попал. Он был похож по концепции на успешный двигатель непрямого действия Отто Лангена, но не был так хорошо проработан в деталях.
1860: Жан Жозеф Этьен Ленуар (1822-1900) создал газовый двигатель внутреннего сгорания, внешне очень похожий на горизонтальный паровой двигатель двойного действия, с цилиндрами, поршнями, шатунами и маховиком, в которых газ, по существу, поглощал место пара. Это был первый серийный двигатель внутреннего сгорания.Его первый двигатель с компрессией шокировал сам себя.
1862: Николаус Отто разработал двигатель непрямого действия со свободным поршнем без сжатия, более высокая эффективность которого завоевала поддержку Лангена, а затем и большей части рынка, который в то время в основном предназначался для небольших стационарных двигателей, работающих на горючем газе.
1870: В Вене Зигфрид Маркус установил первый мобильный бензиновый двигатель на ручной тележке.
1876: Николаус Отто в сотрудничестве с Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом разработал практичный четырехтактный двигатель (цикл Отто).Немецкие суды, однако, не удержали его патент на все двигатели с цилиндрическим компрессором или даже на четырехтактный цикл, и после этого решения внутрицилиндровое сжатие стало универсальным.

1879: Карл Бенц, работавший независимо, получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехтактного двигателя Николауса Отто. Позже Бенц спроектировал и построил свой собственный четырехтактный двигатель, который использовался в его автомобилях, которые стали первыми автомобилями в производстве.
1882: Джеймс Аткинсон изобрел двигатель цикла Аткинсона. Двигатель Аткинсона имел одну фазу мощности на оборот вместе с разными объемами впуска и расширения, что делало его более эффективным, чем цикл Отто.
1891: Герберт Акройд Стюарт передает права аренды нефтяного двигателя Хорнсби, Англия, для производства двигателей. Строят первые двигатели с холодным запуском и воспламенением от сжатия. В 1892 году они устанавливают первые на водонасосной станции. Экспериментальная версия с более высоким давлением производит самоподдерживающееся воспламенение только за счет сжатия в том же году.
1892: Рудольф Дизель разрабатывает двигатель типа теплового двигателя Карно, сжигающий угольную пыль.
1893 23 февраля: Рудольф Дизель получил патент на дизельный двигатель.
1896: Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель, также известный как горизонтально расположенный двигатель, в котором соответствующие поршни одновременно достигают верхней мертвой точки, таким образом уравновешивая друг друга по импульсу.
1900: Рудольф Дизель продемонстрировал дизельный двигатель в 1900 году на выставке Exposition Universelle (Всемирная выставка) с использованием арахисового масла (биодизеля).
1900: Вильгельм Майбах спроектировал двигатель, построенный в Daimler Motoren Gesellschaft — в соответствии со спецификациями Эмиля Еллинека — который требовал, чтобы двигатель был назван Daimler-Mercedes в честь его дочери. В 1902 году автомобили с этим двигателем были запущены в производство компанией DMG.

Приложения

Двигатели внутреннего сгорания чаще всего используются в качестве передвижных двигателей в автомобилях, оборудовании и другом переносном оборудовании. В мобильных сценариях внутреннее сгорание является преимуществом, поскольку оно может обеспечить высокое соотношение мощности к весу вместе с превосходной удельной топливной энергией.Эти двигатели используются почти во всех автомобилях, мотоциклах, лодках, а также в самых разных самолетах и локомотивах. Там, где требуется очень высокая мощность, например, реактивные самолеты, вертолеты и большие корабли, они появляются в основном в виде турбин. Они также используются в электрических генераторах и в промышленности.

Эксплуатация

Все двигатели внутреннего сгорания зависят от экзотермического химического процесса сгорания: реакция топлива, обычно с воздухом, хотя могут использоваться другие окислители, такие как закись азота.

Наиболее распространенное топливо, используемое сегодня, состоит из углеводородов и в основном производится из нефти. К ним относятся виды топлива, известные как дизельное топливо, бензин и нефтяной газ, а также редкое использование пропана. Большинство двигателей внутреннего сгорания, разработанных для бензина, могут работать на природном газе или сжиженном нефтяном газе без значительных модификаций, за исключением компонентов подачи топлива. Также можно использовать жидкое и газообразное биотопливо, такое как этанол и биодизель, форма дизельного топлива, которое производится из сельскохозяйственных культур, которые дают триглицериды, такие как соевое масло.Некоторые также могут работать на водороде.

Все двигатели внутреннего сгорания должны иметь способ зажигания в цилиндрах для создания сгорания. В двигателях используется либо электрический метод, либо система воспламенения от сжатия.

Процесс воспламенения бензина

Электрические / бензиновые системы зажигания (которые также могут работать на других видах топлива, как упоминалось ранее) обычно основаны на сочетании свинцово-кислотной батареи и индукционной катушки для создания высоковольтной электрической искры для воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя.Эту батарею можно заряжать во время работы с помощью устройства, вырабатывающего электричество, такого как генератор переменного тока или генератор, приводимый в действие двигателем. Бензиновые двигатели впитывают смесь воздуха и бензина и сжимают до менее 170 фунтов на квадратный дюйм и используют свечу зажигания для воспламенения смеси, когда она сжимается головкой поршня в каждом цилиндре.

Процесс зажигания дизельного двигателя

Системы воспламенения от сжатия, такие как дизельный двигатель и двигатели HCCI (гомогенный заряд и воспламенение от сжатия), для воспламенения полагаются исключительно на тепло и давление, создаваемые двигателем в процессе сжатия.Возникающая компрессия обычно более чем в три раза выше, чем в бензиновом двигателе. Дизельные двигатели будут всасывать только воздух, и незадолго до пикового сжатия небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в цилиндр через топливную форсунку, которая позволяет топливу мгновенно воспламениться. Двигатели типа HCCI будут потреблять как воздух, так и топливо, но по-прежнему будут полагаться на процесс самовоспламенения без посторонней помощи из-за более высокого давления и высокой температуры. Это также является причиной того, что дизельные двигатели и двигатели HCCI также более подвержены проблемам с холодным запуском, хотя после запуска они будут работать так же хорошо в холодную погоду.Большинство дизелей также имеют аккумуляторные батареи и системы зарядки, однако эта система является вторичной и добавляется производителями в качестве роскоши для простоты запуска, включения и выключения топлива, что также может быть выполнено с помощью переключателя или механического устройства, а также для работы вспомогательных электрических компонентов и аксессуаров. . Однако большинство современных дизелей полагаются на электрические системы, которые также контролируют процесс сгорания для повышения эффективности и сокращения выбросов.

Энергия

После успешного воспламенения и сгорания продукты сгорания, горячие газы, имеют больше доступной энергии, чем исходная сжатая топливно-воздушная смесь (которая имела более высокую химическую энергию).Доступная энергия проявляется в виде высокой температуры и давления, которые могут быть переведены в работу двигателем. В поршневом двигателе газы продукта высокого давления внутри цилиндров приводят в движение поршни двигателя.

После того, как доступная энергия удалена, оставшиеся горячие газы сбрасываются (часто путем открытия клапана или выхода выхлопных газов), что позволяет поршню вернуться в свое предыдущее положение (верхняя мертвая точка — ВМТ). Затем поршень может перейти к следующей фазе своего цикла, который варьируется в зависимости от двигателя.Любое тепло, не переведенное в работу, обычно считается отходом и удаляется из двигателя с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения.

Детали

Иллюстрация нескольких ключевых компонентов типичного четырехтактного двигателя.

Детали двигателя различаются в зависимости от типа двигателя. Для четырехтактного двигателя ключевыми частями двигателя являются коленчатый вал (фиолетовый), один или несколько распределительных валов (красный и синий) и клапаны. Для двухтактного двигателя вместо клапанной системы могут быть просто выпускной патрубок и впускное отверстие для топлива.В обоих типах двигателей есть один или несколько цилиндров (серый и зеленый), и для каждого цилиндра есть свеча зажигания (темно-серый), поршень (желтый) и кривошип (фиолетовый). Одиночный ход поршня вверх или вниз известен как ход, а ход вниз, который происходит сразу после воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре, известен как рабочий ход.

Двигатель Ванкеля имеет треугольный ротор, вращающийся в эпитрохоидальной камере (в форме фигуры 8) вокруг эксцентрикового вала.Четыре фазы работы (впуск, сжатие, мощность, выпуск) происходят в разных местах, а не в одном месте, как в поршневом двигателе.

В двигателе Bourke используется пара поршней, встроенных в кулису, которая передает возвратно-поступательное усилие через специально разработанный подшипниковый узел для поворота кривошипно-шатунного механизма. Впуск, сжатие, мощность и выпуск — все это происходит при каждом такте вилки.

Классификация

Существует широкий спектр двигателей внутреннего сгорания, соответствующих их многочисленным применениям.Аналогичным образом существует множество способов классификации двигателей внутреннего сгорания, некоторые из которых перечислены ниже.

Хотя термины иногда вызывают путаницу, реальной разницы между «двигателем» и «мотором» нет. Когда-то слово «двигатель» (от латинского через старофранцузское, ingenium, «способность») означало любую часть механизма. «Мотор» (от латинского « мотор», «движитель») — это любая машина, производящая механическую энергию. Традиционно электродвигатели не называют двигателями, но двигатели внутреннего сгорания часто называют двигателями.»(Электродвигатель относится к локомотиву, работающему от электричества.)

С учетом сказанного, нужно понимать, что обычное использование часто требует определений. Многие люди рассматривают двигатели как те объекты, которые генерируют энергию изнутри, а двигатели — как требующие внешнего источника энергии для выполнения своей работы. Очевидно, корни слов действительно указывают на настоящую разницу. Кроме того, как и во многих определениях, корневое слово объясняет только начало слова, а не его текущее использование.Конечно, можно утверждать, что так обстоит дело со словами мотор и двигатель.

Принципы работы

Поршневой:

Двигатель на сырой нефти
Двухтактный цикл
Четырехтактный цикл
Двигатель с горячей лампой
Тарельчатые клапаны
Рукавный клапан
Цикл Аткинсона

Предлагаемый
Улучшения
Управляемый двигатель внутреннего сгорания

Поворотный:

Продемонстрировано:
Предложено:
- Орбитальный двигатель
- Квазитурбина
- Роторный двигатель цикла Аткинсона
- Тороидальный двигатель

Непрерывное сгорание:

Газовая турбина
Реактивный двигатель
Ракетный двигатель

Цикл двигателя

Двухтактный

Двигатели, основанные на двухтактном цикле, используют два хода (один вверх, один вниз) для каждого рабочего хода.Поскольку нет специальных тактов впуска или выпуска, необходимо использовать альтернативные методы очистки цилиндров. Наиболее распространенный метод в двухтактных двигателях с искровым зажиганием заключается в использовании движения поршня вниз для повышения давления свежего заряда в картере, который затем продувается через цилиндр через отверстия в стенках цилиндра. Двухтактные двигатели с искровым зажиганием маленькие и легкие (для их выходной мощности) и очень просты в механическом отношении. Общие области применения включают снегоходы, газонокосилки, средства для удаления сорняков, цепные пилы, водные мотоциклы, мопеды, подвесные моторы и некоторые мотоциклы.К сожалению, они также, как правило, громче, менее эффективны и гораздо более загрязняют окружающую среду, чем их четырехтактные аналоги, и они плохо масштабируются до больших размеров. Интересно, что самые большие двигатели с воспламенением от сжатия являются двухтактными и используются в некоторых локомотивах и больших кораблях. Эти двигатели используют принудительную индукцию для продувки цилиндров. Двухтактные двигатели менее экономичны, чем другие типы двигателей, потому что неизрасходованное топливо, распыляемое в камеру сгорания, иногда может выходить из выхлопного тракта вместе с ранее отработанным топливом.Без специальной обработки выхлопных газов это также приведет к очень высокому уровню загрязнения, требуя, чтобы во многих областях применения небольших двигателей, таких как газонокосилки, использовались четырехтактные двигатели, и в некоторых странах с двухтактными двигателями меньшего размера, оснащенными каталитическими нейтрализаторами.

Четырехтактный

Двигатели, основанные на четырехтактном цикле или цикле Отто, имеют один рабочий ход на каждые четыре хода (вверх-вниз-вверх-вниз) и используются в автомобилях, больших лодках и многих легких самолетах. Как правило, они тише, эффективнее и крупнее своих двухтактных собратьев.Есть несколько разновидностей этих циклов, в первую очередь циклы Аткинсона и Миллера. В большинстве дизельных двигателей грузовиков и автомобилей используется четырехтактный цикл, но с системой зажигания с подогревом от сжатия. Этот вариант называется дизельным циклом.

Пятитактный

Двигатели, основанные на пятитактном цикле, представляют собой вариант четырехтактного цикла. Обычно четыре цикла — это впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Пятый цикл, добавленный Delautour ^[2], — это охлаждение.Двигатели, работающие с пятитактным циклом, на 30 процентов более эффективны, чем эквивалентный четырехтактный двигатель.

Двигатель Бурка

В этом двигателе два диаметрально противоположных цилиндра соединены с кривошипом шатунным штифтом, проходящим через общую вилку. Цилиндры и поршни сконструированы таким образом, что, как и в обычном двухтактном цикле, происходит два рабочих хода на оборот. Однако, в отличие от обычного двухтактного двигателя, отработавшие газы и поступающий свежий воздух не смешиваются в цилиндрах, что способствует более чистой и эффективной работе.Механизм с кулисой также имеет низкую боковую тягу и, таким образом, значительно снижает трение между поршнями и стенками цилиндров. Фаза сгорания двигателя Бурка более точно соответствует сгоранию с постоянным объемом, чем четырехтактный или двухтактный цикл. В нем также используется меньше движущихся частей, поэтому необходимо преодолевать меньшее трение, чем в двух других типах возвратно-поступательного движения. Кроме того, его более высокий коэффициент расширения также означает, что используется больше тепла от его фазы сгорания, чем используется в четырехтактных или двухтактных циклах.

Двигатель с регулируемым сгоранием

Это также цилиндрические двигатели, могут быть одно- или двухтактными, но в них вместо коленчатого вала и поршневых штоков используются два соединенных зубчатых колеса концентрических кулачка, вращающихся в противоположных направлениях, для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение. Эти кулачки практически нейтрализуют боковые силы, которые в противном случае оказывались бы на цилиндры поршнями, значительно повышая механический КПД. Профили кулачков (которые всегда нечетные и по крайней мере три) определяют ход поршня в зависимости от передаваемого крутящего момента.В этом двигателе есть два цилиндра, которые разнесены на 180 градусов для каждой пары кулачков встречного вращения. Для одноходовых версий существует такое же количество циклов на пару цилиндров, как и кулачков на каждом кулачке, в два раза больше для двухтактных агрегатов.

Ванкель

Двигатель Ванкеля работает с тем же разделением фаз, что и четырехтактный двигатель (но без ходов поршня, правильнее было бы назвать четырехфазным двигателем), поскольку фазы находятся в разных местах двигателя.Этот двигатель обеспечивает три рабочих хода на оборот на ротор, что в среднем дает ему большее отношение мощности к массе, чем поршневые двигатели. Этот тип двигателя используется в нынешних моделях Mazda RX8 и RX7 ранее, а также в других моделях.

Газовая турбина

В газотурбинных циклах (особенно в реактивных двигателях) вместо использования одного и того же поршня для сжатия и последующего расширения газов используются отдельные компрессоры и газовые турбины; давая постоянную мощность. По сути, всасываемый газ (обычно воздух) сжимается, а затем сжигается с топливом, что значительно повышает температуру и объем.Затем больший объем горячего газа из камеры сгорания подается через газовую турбину, которая затем легко может приводить в действие компрессор.

Вышедшие из употребления методы

В некоторых старых двигателях внутреннего сгорания без компрессии: в первой части хода поршня вниз была засосана или вдувалась топливно-воздушная смесь. В остальной части хода поршня вниз впускной клапан закрылся, и топливно-воздушная смесь сгорела. При ходе поршня вверх выпускной клапан был открыт. Это была попытка имитации работы поршневого парового двигателя.

Виды топлива и окислителя

Используемые виды топлива включают нефтяной спирт (североамериканский термин: бензин, британский термин: бензин), автогаз (сжиженный нефтяной газ), сжатый природный газ, водород, дизельное топливо, реактивное топливо, свалочный газ, биодизель, биобутанол, арахисовое масло и другие растительные масла. , биоэтанол, биометанол (метиловый или древесный спирт) и другие виды биотоплива. Даже псевдоожиженные металлические порошки и взрывчатые вещества нашли применение. Двигатели, в которых в качестве топлива используются газы, называются газовыми двигателями, а двигатели, в которых используются жидкие углеводороды, называются масляными двигателями.Однако, к сожалению, бензиновые двигатели также часто называют «газовыми двигателями».

Основные ограничения для топлива заключаются в том, что топливо должно легко транспортироваться через топливную систему в камеру сгорания, и что топливо выделяет достаточно энергии в виде тепла при сгорании, чтобы можно было использовать двигатель на практике.

Окислителем обычно является воздух, и его преимущество заключается в том, что он не хранится в транспортном средстве, что увеличивает удельную мощность.Однако воздух можно сжимать и переносить на борту транспортного средства. Некоторые подводные лодки предназначены для перевозки чистого кислорода или перекиси водорода, что делает их независимыми от воздуха. Некоторые гоночные автомобили содержат закись азота в качестве окислителя. Другие химические вещества, такие как хлор или фтор, нашли экспериментальное применение; но большинство из них непрактично.

Дизельные двигатели обычно тяжелее, шумнее и мощнее на более низких оборотах, чем бензиновые двигатели. Они также более экономичны в большинстве случаев и используются в тяжелых дорожных транспортных средствах, некоторых автомобилях (в большей степени из-за их более высокой топливной эффективности по сравнению с бензиновыми двигателями), кораблях, железнодорожных локомотивах и легких самолетах.Бензиновые двигатели используются в большинстве других дорожных транспортных средств, включая большинство автомобилей, мотоциклов и мопедов. Обратите внимание, что в Европе сложные автомобили с дизельным двигателем стали довольно распространенными с 1990-х годов, составляя около 40 процентов рынка. И бензиновые, и дизельные двигатели производят значительные выбросы. Есть также двигатели, работающие на водороде, метаноле, этаноле, сжиженном нефтяном газе (СНГ) и биодизеле. Парафиновые и тракторные двигатели с испарительным маслом (TVO) больше не встречаются.

Водород

Некоторые предполагают, что в будущем водород может заменить такое топливо.Кроме того, с внедрением технологии водородных топливных элементов использование двигателей внутреннего сгорания может быть прекращено. Преимущество водорода в том, что при его сгорании образуется только вода. Это не похоже на сжигание ископаемого топлива, которое производит двуокись углерода, главную причину глобального потепления, окись углерода в результате неполного сгорания и другие местные и атмосферные загрязнители, такие как двуокись серы и окислы азота, которые вызывают проблемы с дыханием в городах, кислотные дожди. , и проблемы с газом озоном.Однако свободный водород для топлива не возникает в природе, при его сжигании выделяется меньше энергии, чем требуется для получения водорода, в первую очередь, самым простым и распространенным методом — электролизом. Хотя существует несколько способов производства свободного водорода, они требуют преобразования горючих в настоящее время молекул в водород, поэтому водород не решает никаких энергетических кризисов, более того, он решает только проблему переносимости и некоторые проблемы загрязнения. Большим недостатком водорода во многих ситуациях является его хранение.Жидкий водород имеет чрезвычайно низкую плотность — в 14 раз меньше, чем вода, и требует обширной изоляции, тогда как газообразный водород требует очень тяжелых резервуаров. Хотя водород имеет более высокую удельную энергию, объемный запас энергии все еще примерно в пять раз ниже, чем у бензина, даже в сжиженном состоянии. (Процесс «Водород по запросу», разработанный Стивеном Амендола, создает водород по мере необходимости, но здесь есть и другие проблемы, такие как относительно дорогое сырье.) К другим видам топлива, более благоприятным для окружающей среды, относится биотопливо.Это не может дать чистого прироста углекислого газа.

Одноцилиндровый бензиновый двигатель (ок. 1910 г.).

Цилиндры

Двигатели внутреннего сгорания могут содержать любое количество цилиндров с обычными номерами от одного до двенадцати, хотя использовалось до 36 (Lycoming R-7755). Наличие большего количества цилиндров в двигателе дает два потенциальных преимущества: во-первых, двигатель может иметь больший рабочий объем с меньшими отдельными возвратно-поступательными массами (то есть масса каждого поршня может быть меньше), что обеспечивает более плавную работу двигателя (поскольку двигатель имеет тенденцию к вибрировать в результате движения поршней вверх и вниз).Во-вторых, с большим рабочим объемом и большим количеством поршней может быть сожжено больше топлива, и может быть больше событий сгорания (то есть больше рабочих ходов) в заданный период времени, что означает, что такой двигатель может генерировать больший крутящий момент, чем аналогичный двигатель. с меньшим количеством цилиндров. Недостатком большего количества поршней является то, что в целом двигатель будет иметь больший вес и иметь тенденцию создавать большее внутреннее трение, поскольку большее количество поршней трутся о внутреннюю часть их цилиндров. Это имеет тенденцию к снижению топливной экономичности и лишению двигателя части его мощности.Для высокопроизводительных бензиновых двигателей, использующих современные материалы и технологии (например, двигатели, используемые в современных автомобилях), кажется, есть точка разрыва около 10 или 12 цилиндров, после чего добавление цилиндров становится общим ущербом для производительности и эффективности, хотя есть исключения. например двигатель W16 от Volkswagen существуют.

Большинство автомобильных двигателей имеют от четырех до восьми цилиндров, некоторые высокопроизводительные автомобили имеют десять, двенадцать или даже шестнадцать, а некоторые очень маленькие легковые и грузовые автомобили имеют два или три цилиндра.В предыдущие годы некоторые довольно большие автомобили, такие как DKW и Saab 92, имели двухцилиндровые двухтактные двигатели.
Радиальные авиационные двигатели, ныне устаревшие, имели от трех до 28 цилиндров, такие как Pratt & Whitney R-4360. Строка содержит нечетное количество цилиндров, поэтому четное число указывает на двух- или четырехрядный двигатель. Самым большим из них был Lycoming R-7755 с 36 цилиндрами (четыре ряда по девять цилиндров), но он так и не был запущен в производство.
обычно имеют от одного до четырех цилиндров, а в некоторых высокопроизводительных моделях их шесть (хотя существуют «новинки» с 8, 10 и 12).
Снегоходы обычно имеют два цилиндра. У некоторых более крупных (не обязательно высокопроизводительных, но тоже туристических машин) их четыре.
Небольшие портативные приборы, такие как бензопилы, генераторы и бытовые газонокосилки, чаще всего имеют один цилиндр, хотя существуют и двухцилиндровые бензопилы.

Система зажигания

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по системе зажигания. Точка цикла, в которой воспламеняется смесь топлива и окислителя, напрямую влияет на КПД и мощность ДВС.Для типичного 4-тактного автомобильного двигателя горящая смесь должна достичь максимального давления, когда коленчатый вал находится под углом 90 градусов после ВМТ (верхней мертвой точки). Скорость фронта пламени напрямую зависит от степени сжатия, температуры топливной смеси и октанового или цетанового числа топлива. Современные системы зажигания предназначены для зажигания смеси в нужное время, чтобы фронт пламени не касался опускающейся головки поршня. Если фронт пламени соприкасается с поршнем, это может привести к появлению детонации или детонации.Более бедные смеси и смеси с более низким давлением горят медленнее, что требует более точного момента зажигания. Сегодня в большинстве двигателей для зажигания используется электрическая или компрессионная система нагрева. Однако исторически использовались системы с внешним пламенем и горячими трубками. Никола Тесла получил один из первых патентов на механическую систему зажигания — патент США 609250 (PDF) «Электрический воспламенитель для газовых двигателей» 16 августа 1898 года.

Топливные системы

Топливо сгорает быстрее и полнее, если большая площадь его поверхности контактирует с кислородом.Чтобы двигатель работал эффективно, топливо должно испаряться в поступающий воздух в виде того, что обычно называется топливно-воздушной смесью. Обычно используются два метода испарения топлива в воздух: карбюраторный и впрыск топлива.

Часто в более простых поршневых двигателях для подачи топлива в цилиндр используется карбюратор. Однако точный контроль количества топлива, подаваемого в двигатель, невозможно. Карбюраторы — это самые распространенные в настоящее время устройства для смешивания топлива, используемые в газонокосилках и других двигателях малой мощности.До середины 1980-х карбюраторы также были распространены в автомобилях.

Более крупные бензиновые двигатели, такие как используемые в автомобилях, в основном перешли на системы впрыска топлива. В дизельных двигателях всегда используется впрыск топлива.

Автогазовые двигатели (LPG) используют либо системы впрыска топлива, либо карбюраторы с открытым или закрытым контуром.

В других двигателях внутреннего сгорания, таких как реактивные двигатели, используются горелки, а в ракетных двигателях используются различные идеи, включая ударные струи, сдвиг газа / жидкости, форсажные камеры и многие другие идеи.

Конфигурация двигателя

Двигатели внутреннего сгорания можно классифицировать по их конфигурации, которая влияет на их физические размеры и плавность хода (более плавные двигатели производят меньшую вибрацию). Общие конфигурации включают прямую или линейную конфигурацию, более компактную V-образную конфигурацию и более широкую, но более гладкую плоскую или боксерскую конфигурацию. Авиационные двигатели также могут иметь радиальную конфигурацию, которая обеспечивает более эффективное охлаждение. Также использовались более необычные конфигурации, такие как «H», «U», «X» или «W».

Конфигурации с несколькими коленчатыми валами вовсе не обязательно нуждаются в головке блока цилиндров, но вместо этого могут иметь поршень на каждом конце цилиндра, что называется конструкцией с оппозитным поршнем. Эта конструкция использовалась в дизельном авиационном двигателе Junkers Jumo 205 с двумя коленчатыми валами, по одному на обоих концах одного ряда цилиндров, и, что наиболее заметно, в дизельных двигателях Napier Deltic, в которых использовались три коленчатых вала для обслуживания трех групп двусторонних цилиндров. цилиндры расположены в равностороннем треугольнике с коленчатыми валами по углам.Он также использовался в одноблочных локомотивных двигателях и продолжает использоваться для судовых двигателей, как для тяги, так и для вспомогательных генераторов. Двигатель Gnome Rotary, использовавшийся в нескольких ранних самолетах, имел неподвижный коленчатый вал и ряд радиально расположенных цилиндров, вращающихся вокруг него.

Объем двигателя

Рабочий объем двигателя — это рабочий объем или рабочий объем поршней двигателя. Обычно он измеряется в литрах (л) или кубических дюймах ( или дюйм3) для двигателей большего размера и кубических сантиметрах (сокращенно см) для двигателей меньшего размера.Двигатели с большей мощностью обычно более мощные и обеспечивают больший крутящий момент на более низких оборотах, но при этом потребляют больше топлива.

Помимо разработки двигателя с большим количеством цилиндров, есть два способа увеличения мощности двигателя. Первый — удлинить ход, второй — увеличить диаметр поршня. В любом случае может потребоваться дополнительная регулировка подачи топлива в двигатель, чтобы обеспечить оптимальную производительность.

Заявленная мощность двигателя может быть больше вопросом маркетинга, чем инженерии.Morris Minor 1000, Morris 1100 и Austin-Healey Sprite Mark II были оснащены двигателем BMC серии A с одинаковым ходом и диаметром цилиндра в соответствии с их спецификациями и были от одного производителя. Однако в торговой литературе и на значках транспортных средств объем двигателя был указан как 1000 куб. См, 1100 куб. См и 1098 куб. См соответственно.

Смазочные системы

Используется несколько различных типов систем смазки. Простые двухтактные двигатели смазываются маслом, смешанным с топливом или впрыскиваемым в поток впуска в виде спрея.Ранние тихоходные стационарные и судовые двигатели смазывались под действием силы тяжести из небольших камер, подобных тем, которые использовались в паровых двигателях в то время, с тендером для пополнения их по мере необходимости. Поскольку двигатели были адаптированы для использования в автомобилях и самолетах, потребность в высоком соотношении мощности к массе привела к увеличению скорости, повышению температуры и большему давлению на подшипники, что, в свою очередь, потребовало смазки под давлением для шатунных подшипников и шейки шатуна, при условии, что либо за счет прямой смазки от насоса, либо косвенно посредством струи масла, направляемой на приемные чашки на концах шатуна, что имело преимущество в обеспечении более высоких давлений при увеличении частоты вращения двигателя.

Загрязнение двигателя

Обычно двигатели внутреннего сгорания, особенно поршневые двигатели внутреннего сгорания, производят умеренно высокие уровни загрязнения из-за неполного сгорания углеродсодержащего топлива, что приводит к образованию оксида углерода и некоторого количества сажи, а также оксидов азота и серы и некоторых несгоревших углеводородов в зависимости от условий эксплуатации и соотношение топливо / воздух. Основными причинами этого являются необходимость работы бензиновых двигателей, близких к стехиометрическому, для достижения сгорания (топливо сгорает более полно в избытке воздуха) и «гашение» пламени относительно холодными стенками цилиндра.

Дизельные двигатели производят широкий спектр загрязняющих веществ, включая аэрозоли многих мелких частиц (PM10), которые, как считается, глубоко проникают в легкие человека. Двигатели, работающие на сжиженном нефтяном газе (LPG), имеют очень низкий уровень выбросов, поскольку LPG горит очень чисто и не содержит серы или свинца.

Многие виды топлива содержат серу, которая приводит к образованию оксидов серы (SOx) в выхлопных газах, что способствует кислотным дождям.
Высокая температура горения приводит к образованию больших количеств оксидов азота (NOx), которые, как доказано, опасны как для здоровья растений, так и для животных.
Чистое производство углекислого газа не является обязательной характеристикой двигателей, но, поскольку большинство двигателей работают на ископаемом топливе, это обычно происходит. Если двигатели работают на биомассе, то чистый углекислый газ не образуется, поскольку растущие растения поглощают столько же или больше углекислого газа во время роста.
Водородные двигатели должны производить только воду, но при использовании воздуха в качестве окислителя также образуются оксиды азота.

КПД двигателя внутреннего сгорания

КПД различных типов двигателей внутреннего сгорания различается.Принято считать, что большинство двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, даже при использовании турбонагнетателей и вспомогательных средств повышения эффективности имеют механический КПД около 20 процентов. Большинство двигателей внутреннего сгорания тратят около 36 процентов энергии бензина в виде тепла, теряемого в системе охлаждения, и еще 38 процентов через выхлопные газы. Остальное, около шести процентов, теряется из-за трения. Большинству инженеров не удавалось успешно использовать потраченную впустую энергию для каких-либо значимых целей, хотя существуют различные дополнительные устройства и системы, которые могут значительно повысить эффективность сгорания.

впрыск водородного топлива, или HFI, представляет собой систему надстройки двигателя, которая, как известно, улучшает экономию топлива двигателей внутреннего сгорания за счет впрыска водорода для улучшения сгорания во впускной коллектор. Можно увидеть рост экономии топлива от 15 до 50 процентов. Небольшое количество водорода, добавляемого к всасываемому топливно-воздушному заряду, увеличивает октановое число комбинированного топливного заряда и увеличивает скорость пламени, тем самым позволяя двигателю работать с более продвинутой синхронизацией зажигания, более высокой степенью сжатия и более бедной воздушно-топливной смесью. к топливной смеси, чем это возможно в противном случае.В результате снижается уровень загрязнения, увеличивается мощность и эффективность. Некоторые системы HFI используют бортовой электролизер для выработки используемого водорода. Также можно использовать небольшой резервуар с водородом под давлением, но этот метод требует повторного заполнения.

Также обсуждались новые типы двигателей внутреннего сгорания, такие как Scuderi Split Cycle Engine, которые используют высокое давление сжатия, превышающее 2000 фунтов на квадратный дюйм, и сгорают после верхней мертвой точки (самая высокая и самая сжатая точка в ход поршня внутреннего сгорания).Ожидается, что такие двигатели будут иметь КПД 50-55%.

Банкноты

Список литературы

Харденберг, Хорст О. 1999. Средние века двигателя внутреннего сгорания . Варрендейл, Пенсильвания: Международное издательство SAE. ISBN 0768003911.
Хейвуд, Джон. 1988. Основы двигателя внутреннего сгорания. Нью-Йорк: McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ISBN 007028637X.
Стоун, Ричард. 1999. Введение в двигатели внутреннего сгорания .Варрендейл, Пенсильвания: Международное издательство SAE. ISBN 0768004950.
Тейлор, Чарльз Фейет. 1985. Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 0262700263.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 4 марта 2018 г.

Знакомство с автомобильными двигателями — изображения в разрезе и хороший обзор двигателя внутреннего сгорания
Библия по топливу и двигателям — хороший ресурс по различным типам двигателей и топливам
youtube — Анимация компонентов 4-цилиндрового двигателя
youtube — Анимация внутренних движущихся частей 4-цилиндрового двигателя

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедия Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Двигатель внутреннего сгорания | Encyclopedia.com

Обзор

Физики называют двигатель внутреннего сгорания «первичным двигателем», то есть он использует некоторую форму энергии (например, бензин) для перемещения объектов. Первые надежные двигатели внутреннего сгорания были разработаны в середине девятнадцатого века и почти сразу же стали использоваться для транспортировки. Развитие двигателя внутреннего сгорания помогло освободить людей от тяжелейшего ручного труда, сделало возможным создание самолетов и других видов транспорта и помогла произвести революцию в производстве электроэнергии.

Предпосылки

В 1698 году Томас Савери (ок. 1650-1715), британский военный инженер, построил «Друг шахтера», устройство, которое использовало давление пара для откачки воды из затопленных шахт. Несколько лет спустя Томас Ньюкомен (1663-1729) расширил конструкцию Савери и создал первый настоящий двигатель. В двигателе Ньюкомена, в отличие от двигателя Христиана Гюйгенса (1629-1695) и Савери, использовался поршень, прикрепленный к самому двигателю. Следовательно, он мог производить постоянную (хотя и не плавную) мощность.

Три условия, существовавшие в девятнадцатом веке, способствовали развитию двигателя внутреннего сгорания. Главным условием была потребность в энергии, представленная Промышленной революцией. Во-вторых, физики начали понимать ключевые концепции, на которых построен двигатель внутреннего сгорания. В-третьих, топливо, необходимое для работы двигателя, становилось доступнее.

Между 1700 и 1900 годами ученые разработали область термодинамики, которая дала изобретателям инструменты для расчета КПД и выходной мощности различных типов двигателей.Эти расчеты показали, что внутренняя Двигатель внутреннего сгорания потенциально был намного эффективнее парового двигателя (который, напротив, был двигателем внешнего сгорания, то есть воспламенял топливо вне самого двигателя).

Самое важное событие в ранней истории двигателя внутреннего сгорания произошло в 1859 году под руководством бельгийского изобретателя Жана-Жозефа Этьена Ленуара (1822-1900). Двигатель Ленуара был одновременно прочным (некоторые из них отлично работали после 20 лет использования) и, что более важно, надежным.Более ранние версии двигателя были плохого качества и перестали работать без причины. Двигатель Ленуара выдавал постоянную мощность и работал плавно. В 1862 году Ленуар изобрел первый в мире автомобиль.

В 1860-е годы Николаус Отто (1832–1891) начал экспериментировать с двухтактными двигателями Ленуара и теоретическими четырехтактными двигателями Альфонса Бо де Роша (1815–1893). Отто был продавцом бакалеи; у него не было технического образования или опыта. В 1866 году Отто с помощью Ойгена Лангена (1833-1895), немецкого промышленника, разработал успешный, но тяжелый и шумный двигатель Отто и Лангена.Он продолжал экспериментировать с двигателями. В 1876 году он выпустил «Silent Otto», первый в мире четырехтактный двигатель. Silent Otto был не только более тихим, чем предыдущие двигатели, но и гораздо более экономичным.

Двигатель Отто установил стандарт времени. Фактически, основная конструкция современных двигателей остается такой же, как у Отто. Как и предсказывала термодинамика, двигатель внутреннего сгорания был намного более экономичным, чем паровой. Двигатели внутреннего сгорания, которые были тише, дешевле в эксплуатации и менее громоздкими, чем паровые, начали появляться на промышленных предприятиях по всей Северной Европе.

Чтобы двигатель внутреннего сгорания мог использовать жидкое топливо, он должен сначала перевести жидкость в парообразное состояние. Следующей задачей для производителей двигателей было найти способ осуществить это изменение. Между 1880 и 1900 годами были изобретены различные процессы для выполнения этой задачи. Между 1885 и 1892 годами были разработаны три метода: карбюрация, испарение горячей лампы и дизельный двигатель.

При карбюрации устройство, называемое карбюратором, смешивает воздух с парами жидкого топлива.Затем карбюратор подает смесь в двигатель. Искра или пламя внутри двигателя воспламеняют смесь. Это функция карбюратора в современных автомобилях. Для сравнения, двигатель с горячей лампой распыляет бензин на горячую поверхность рядом с цилиндром, а затем втягивает испаряющееся топливо в двигатель в виде пара. С двигателем с горячей лампой можно было использовать менее летучие виды топлива, такие как керосин. Третий метод — дизельный компрессорный двигатель. Вместо того, чтобы использовать внешний источник тепла для воспламенения газа, как в первых двух методах, немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) изобрел процесс, при котором газ воспламеняется сам.У Дизеля был большой опыт в математике и естественных науках, и он знал, что когда газ сжимается, его температура повышается до точки, при которой топливо воспламеняется.

Удар

На рубеже веков двигатели внутреннего сгорания стали неотъемлемой частью западной жизни. Промышленные предприятия по всей Европе и Америке широко использовали их, и открылись ворота для крупномасштабного производства автомобилей в 1900-х годах.

В области транспорта бензиновый двигатель внутреннего сгорания и его варианты (в основном дизельный двигатель) были адаптированы для использования в путешествиях по морю, суше и воздуху.В море большое количество небольших кораблей было и продолжает работать на дизельных двигателях, ускоряющих перемещение людей и товаров между любыми местами, связанными водой. Это сделало торговлю более быстрой и менее дорогой. Сочетание морских перевозок с более эффективной наземной перевозкой грузов делает эти преимущества еще более значительными. В свою очередь, расширение торговли ведет к большему благосостоянию и более высокому уровню жизни для обеих сторон, не говоря уже о создании новых рабочих мест.

Самолеты тоже обязаны своим существованием развитию бензинового двигателя. Многие изобретатели пытались летать с двигателями в конце девятнадцатого века, но только после того, как появились легкие и мощные бензиновые двигатели, возникла область авиации. Фактически, бензиновые двигатели преобладали в авиации в первой половине двадцатого века и даже сегодня играют важную роль в частной, коммерческой и военной авиации.

Также необходимо учитывать влияние на сельское хозяйство и производство продуктов питания.Тракторы и другое современное сельскохозяйственное оборудование, обычно работающее с дизельными или бензиновыми двигателями, играет значительную роль в изобилии продуктов питания в развитых и некоторых частях развивающегося мира. Использование тракторов для обработки почвы, посадки и сбора урожая, а также для буксировки тяжелых грузов помогло увеличить количество земли, которое может обработать один фермер, а также увеличение урожайности с гектара. Это двойное повышение эффективности индивидуальных фермеров приводит к увеличению количества продуктов питания по более низким ценам. В развитом мире это означает не только больше и более дешевую еду, доступную для его граждан, но и больше еды, доступную для экспорта во все страны.

Дизельный двигатель является развитием двигателя внутреннего сгорания, как упоминалось ранее. Дизельные двигатели мощные, требуют меньшего обслуживания и используют менее очищенное топливо, чем бензиновые двигатели. Эти факторы делают их менее дорогими, и они стали предпочтительным двигателем для путешествий по железной дороге, больших лодок и малых судов, а также грузовиков. Дизельные двигатели также широко используются для выработки электроэнергии, особенно в качестве аварийных резервных источников питания для таких объектов, как больницы и атомные электростанции.В обоих случаях дизельные двигатели зарекомендовали себя как надежные и недорогие в обслуживании и эксплуатации.

Последнее воздействие, которое необходимо обсудить, — это воздействие двигателя внутреннего сгорания на окружающую среду. Все двигатели внутреннего сгорания работают за счет сжигания углеводородов в той или иной форме и выпуска выхлопных газов. Эти углеводороды обычно получают из нефти, и они горят с образованием диоксида углерода, монооксида углерода и воды. Хотя были разработаны водородные двигатели, которые сжигают водород и выделяют водяной пар в качестве выхлопного газа, на момент написания этой статьи они были редкостью.

С точки зрения топлива, запасы нефти ограничены, и их становится все труднее обнаружить и добыть. Процесс добычи неизменно приводит к определенному воздействию на окружающую среду не только на буровой, но и на маршруте транспортировки. Поскольку большая часть нефти добывается в регионах, удаленных от нефтеперерабатывающих заводов и промышленных стран, большая часть ее транспортируется океанскими танкерами, которые иногда вызывают разливы с потенциально серьезными последствиями.

После сжигания в двигателях углеводородное топливо выделяет много газов, большая часть которых способствует загрязнению воздуха.До запрета в США многие виды топлива также содержали соединения свинца, которые были причастны к случаям отравления свинцом. Однако даже без свинца углекислый газ, основной выхлопной газ сгорания, по-видимому, производится в достаточно больших количествах, и было отмечено, что его уровни в атмосфере повышаются во всем мире. Поскольку известно, что углекислый газ улавливает солнечное тепло, есть много предположений о том, что широкое использование двигателей внутреннего сгорания вызывает повышение температуры во всем мире с потенциально катастрофическими результатами.Однако следует подчеркнуть, что данные, которые были интерпретированы как показывающие глобальное потепление, могут быть интерпретированы по-разному, и не все ученые считают, что глобальное потепление действительно происходит. Кроме того, следует помнить, что на протяжении большей части истории Земли температуры были намного выше, чем в настоящее время. Таким образом, даже если глобальное потепление происходит, оно может быть связано или не быть результатом сжигания ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания.

ТОДД ДЖЕНСЕН И П. ЭНДРЮ КАРАМ

Дополнительная литература

Гребни, Гарри. Убить Дьявольский холм. Бостон: Компания Houghton Mifflin, 1979.

Харденберг, Хорст О. Средние века двигателей внутреннего сгорания 1794–1886. Детройт: Общество автомобильных инженеров, 1999.

Робертс, Питер. Ветеранские и старинные автомобили. Лондон: Drury House, 1967.

Наука и ее времена: понимание социального значения научных открытий

Эволюция двигателя внутреннего сгорания

Люди строят автомобили уже более века, и почти под каждым капотом находится двигатель внутреннего сгорания.В течение последних 100 лет его принцип оставался неизменным: воздух и топливо попадают внутрь, в цилиндрах происходит взрыв, и сила толкает вас вперед. Но с каждым годом инженеры оттачивают двигатель внутреннего сгорания, чтобы он двигался быстрее и дальше, делая его более эффективным, чем раньше, и производя мощность, которую вы раньше видели только на суперкарах. Состояние двигателя внутреннего сгорания никогда не могло бы зайти так далеко без этих серьезных скачков. Вот как мы дошли до этого.

1955

Впрыск топлива

До впрыска топлива дозирование бензина в камеру сгорания было неточным и сложным процессом.Карбюраторы часто нуждались в очистке и восстановлении, и на них влияли погодные условия, температура и высота над уровнем моря. Для сравнения, впрыск топлива был простым: он помогал двигателю работать более плавно, стабильно на холостом ходу, работал более эффективно и избавлял от надоедливой рутины регулировки дроссельной заслонки каждый раз, когда вы ее запускали. Созданный из самолетов военного времени, он впервые был внедрен в автомобиль в 1955 году. В том же году Стирлинг Мосс и Денис Дженкинсон проехали на гоночном автомобиле Mercedes-Benz 300SLR через изнурительную гонку Mille Miglia протяженностью 992 мили в Италии, победив с рекордом. ни разу не сломался: 10 часов 7 минут 48 секунд.

Британский автогонщик Стирлинг Мосс на пути к победе в итальянской гонке Mille Miglia Race, установив новый рекорд.

KeystoneGetty Images

Дорожная версия

Benz стала не только первым серийным автомобилем с системой впрыска топлива, разработанным Bosch, но и самым быстрым автомобилем в мире. Два года спустя Chevrolet подарил Corvette двигатель «Fuelie» с системой впрыска топлива Rochester Ramjet, которая смогла разогнать 300SL.Тем не менее, именно системы Bosch с электронным управлением нашли свое применение почти во всех автопроизводителях Европы, а к восьмидесятым годам система впрыска топлива захватила мир.

1962

Турбонаддув

Турбокомпрессор — одна из жемчужин развития двигателей. Турбина в форме улитки, набирающая больше воздуха в цилиндр, когда-то позволяла 12-цилиндровым истребителям времен Второй мировой войны взлетать выше, быстрее и дальше. Угадай, что? То же самое и на суше.Когда в 1962 году дебютировал первый автомобиль с турбонаддувом, он был обнаружен не под капотом легкого европейского малолитражного автомобиля, BMW 2002 или Saab 99, а благодаря мозговому доверию General Motors, полному наличными и желающему опробовать новые технологии.

Предоставлено Hagerty

В то время Oldsmobile Jetfire требовал — почти с каждым баком, полным бензина, — добавлением Turbo Rocket Fluid, оригинального названия Jetsons для дистиллированной воды и метанола.GM отказалась от этой концепции в середине десятилетия. Но к концу 1970-х такие компании, как BMW, Saab и Porsche, заняли позицию, доказали свою ценность в автоспорте, и теперь каждая машина имеет турбокомпрессор. Почти.

Турбокомпрессор превратился из грязного трюка с быстрой скоростью в вашем 930 Turbo в выполнение семейных обязанностей в Mazda CX-9, чей 2,5-литровый двигатель был оснащен первой в своем роде системой Dynamic Pressure Turbo в 2016 году. В действии действует принцип «большой палец над садовым шлангом»: ограниченный поток ускоряет выхлоп в турбину, улучшая отзывчивость на низких оборотах и уменьшая турбо-лаг.Кроме того, с более строгими стандартами выбросов и эффективности, это необходимый компонент для выжимания мощности большого двигателя из самых маленьких и легких двигателей. И крутящий момент! Вам больше не нужно сбивать мессершмитты, чтобы почувствовать себя втянутым в кресло.

1964

Роторный двигатель

Единственным двигателем, который действительно сломал шаблон — единственным, кто попал в производство — было вращающееся чудо инженера Феликса Ванкеля, треугольник внутри овала, вращающийся, как демон.По самой природе своей конструкции роторный двигатель легче, менее сложен и имеет более высокие обороты, чем типичная коробка с поршнями. Mazda и несуществующий немецкий автопроизводитель NSU были первыми, кто подписал контракт; В 1964 году NSU Spider стал первым серийным автомобилем с Ванкелем.

Mazda, однако, была единственной компанией, которая действительно работала с ним — первой Mazda с роторным двигателем была Cosmo 1967 года, предшественница длинной линейки спортивных автомобилей, седанов и даже случайных пикапов. последний RX-8 сошел с конвейера в 2012 году.Концепция RX-Vision 2016, представленная на Токийском автосалоне 2015 года, подтвердила непристойные слухи о том, что группа преданных своему делу инженеров, которым нечего терять, все еще разрабатывает следующий великий роторный двигатель где-то на заводе в Хиросиме.

Вверху слева: Mazda Cosmo Sport 110S 1967 года выпуска; справа и внизу слева: роторный двигатель Mazda RENESIS

Предоставлено Mazda

1981

Деактивация цилиндра

Идея проста.Чем меньше срабатывает цилиндр, тем лучше пробег. Как превратить V8 в четырехцилиндровый? Если вы были Кадиллаком около 1981 года, вы представили двигатель с метким названием 8-6-4, в котором использовались соленоиды с электронным управлением для закрытия клапанов на двух или четырех цилиндрах. Это должно было повысить эффективность, скажем, при движении по шоссе. Но последовавшая за этим ненадежность и неуклюжесть были настолько печально известны, что никто не осмеливался повторить попытку в течение двадцати лет.

Теперь у нескольких производителей идея наконец-то работает — и она перешла на более мелкие двигатели.

2012

Степени сжатия

Наука работает следующим образом: внутри цилиндра двигателя чем меньше вы можете сжать воздух и топливо, тем больше мощности вы получите при взрыве. Объем, который поршень может сжать, и есть степень сжатия. Но производители не могут слишком сильно увеличивать степень сжатия, иначе смесь воспламенится сама по себе; последующий «стук» разорвет двигатель.

В надире 1970-х годов, задыхаясь от правил, касающихся смога, и вынужденные бороться с неэтилированным бензином, производители построили массивные двигатели V8, которые хрипели.Эти большие мальчики сдерживались болезненно низкой степенью сжатия — свинец, который когда-то был в бензине, предотвращал детонацию. Благодаря электронному управлению подачей топлива и лучшему пониманию контроля за выбросами двигатели стали вырабатывать больше мощности при уменьшении рабочего объема.

Двигатель Mazda SKYACTIV-G 2018 года с отключением цилиндров выдает 187 лошадиных сил и 186 фунт-фут крутящего момента.

Предоставлено Mazda

В 2012 году двигатель Mazda SKYACTIV-G был запущен в производство с самой высокой степенью сжатия для серийного двигателя, поразительной 14: 1 (в Америке — 13: 1), что позволяет ему извлекать энергию почти из каждой капли бензина без множество оборудования для защиты от смога.Следующее нововведение Mazda вывело высокую степень сжатия на новый уровень. SKYACTIV-X использует искровое зажигание от сжатия (SPCCI) для воспламенения топливно-воздушной смеси с минимальным количеством бензина, сочетая крутящий момент дизельного двигателя с высокими оборотами бензинового двигателя.

Даже спустя столетие, даже при использовании альтернативных видов топлива и методов движения, двигатель внутреннего сгорания остается самой большой добычей в городе. Спустя столько времени основы не изменились. Но всегда найдется автомобильная компания, которая готова представить что-то новое, и постоянное совершенствование является ключом к сохранению актуальности двигателя внутреннего сгорания в предстоящие годы.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Гленн

Исследовательский центр

В течение сорока лет после первый полет братьев Райт использовались самолеты Двигатели внутреннего сгорания повернуть пропеллеры генерировать толкать.Сегодня большинство самолетов авиации общего назначения или частных самолетов все еще находятся в эксплуатации. с пропеллерами и двигателями внутреннего сгорания, как и ваш автомобильный двигатель. На этой странице мы обсудим основы двигатель внутреннего сгорания с использованием Двигатель братьев Райт 1903 года, показанный на рисунке в качестве примера.

Обсуждая двигатели, мы должны учитывать как механическая работа машина и термодинамический процессы, которые позволяют машине производить полезные Работа. Базовая механическая конструкция двигателя Райта такова: замечательно похож на современный, четырехтактный, четыре цилиндра автомобильные двигатели.Как следует из названия, процесс горения двигателя внутреннего сгорания происходит в закрытом цилиндр . Внутри цилиндра движется поршень, который компрессы смесь топлива и воздуха перед сгоранием, а затем принудительно возвращается вниз по цилиндру после сгорания. На рабочий ход поршень вращает кривошип, который преобразует линейное движение поршень в круговое движение. Поворот коленчатый вал затем используется для поворота воздушного винта. В движение поршня повторяется в термодинамический цикл называется Цикл Отто который был разработан немцем Dr.Н. А. Отто, 1876 г. и используется до сих пор.

Хотя есть некоторые важные различия между современными авиационные двигатели и двигатель Wright 1903, простота конструкции двигателя Райта делает его хорошей отправной точкой для студентов. Индивидуальные веб-страницы для всех основных систем и части предоставляются так, чтобы вы можете детально изучить каждый пункт. Вот программа на Java, которую вы можете использовать, чтобы посмотреть на движок из разнообразие локаций:

На этой странице показан интерактивный Java-апплет, который позволяет вам изменять вид авиационного двигателя 1903 года, нажимая кнопки для остановки, шага или вращения изображение.

Вы можете загрузить свою собственную копию этого апплета, нажав следующую кнопку:

Программа скачивается в формате .zip. Вы должны сохранить файл на диск и затем «Извлеките» файлы. Нажмите на «Engine.html» для автономной работы программы.

Деятельность:

Экскурсии с гидом

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Будущее двигателей внутреннего сгорания

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

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

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

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

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

Но у DI есть ключевое преимущество: за счет впрыска топлива непосредственно в цилиндр во время такта сжатия охлаждающий эффект испаряющегося топлива не исчезает до того, как загорится свеча зажигания. В результате двигатель становится более устойчивым к детонации — преждевременному и почти взрывному сгоранию топлива, производящему стук и удару поршней под действием давления и тепла — и, следовательно, может работать с более высокой степенью сжатия — примерно 12: 1. вместо 10.5: 1. Одно это улучшает экономию топлива на два-три процента.

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

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

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

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

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

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

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

Первым двигателем в Америке со всеми этими тремя элементами был базовый 2,0-литровый четырехцилиндровый двигатель Audi A4 2006 года. У него было 10.Степень сжатия 5: 1 — такая же высокая, как у многих безнаддувных двигателей, несмотря на пиковое давление наддува 11,6 фунтов на квадратный дюйм. Он производил 200 лошадиных сил и 207 Нм крутящего момента.

Система Ford EcoBoost — это не что иное, как прямой впрыск и турбонаддув. Дэн Капп, директор Ford по разработке передовых силовых агрегатов, говорит, что эта технология будет распространена на легковые и грузовые автомобили компании. «Ничто другое не обеспечивает двузначного повышения эффективности использования топлива по разумной цене».

В будущем Ford рассчитывает заменить свои 5.4-литровый V-8 с 3,5-литровым EcoBoost V-6; его 3,5-литровый V-6 с 2,2-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost; и его 2,5-литровый рядный четырехцилиндровый двигатель с 1,6-литровым рядным четырехцилиндровым двигателем EcoBoost. При каждом уменьшении габаритов пиковая мощность должна быть одинаковой, крутящий момент на низких оборотах должен быть примерно на 30 процентов больше, а экономия топлива должна быть на 10-20 процентов выше. Единственным недостатком будет дополнительная плата в размере 1000 долларов или около того к цене автомобилей с DI-turbo для оплаты дополнительного оборудования.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Двигатель внутреннего сгорания продолжает совершенствоваться по мере роста ажиотажа в отношении электромобилей

Возможно, это начало эры электромобилей, но 2018 год стал феноменальным годом для скромного двигателя внутреннего сгорания.

Среди наиболее заметных достижений: General Motors выпустила полноразмерные пикапы, которые могут работать всего с двумя цилиндрами, Mercedes-Benz представила свой первый новый рядный шестицилиндровый двигатель за более чем 20 лет, а Nissan Motor Co.выпустила первый в отрасли двигатель с переменным сжатием, который уникальным образом сочетает в себе экономию топлива и мощность. Между тем поставщики бешеными темпами разрабатывают технологии экономии топлива.

«Бензиновые двигатели будут оставаться очень и очень актуальными в течение долгого времени», — сказал Эд Ким, вице-президент по отраслевому анализу AutoPacific. «Потому что даже с этим толчком к электрификации, точка, в которой мы доберемся до полного парка аккумуляторных электромобилей по всей стране, будет очень далекой».

Несмотря на ажиотаж, вызванный Tesla, даже самые оптимистичные прогнозы требуют, чтобы на полные электромобили приходилось только около 8 процентов от общего объема потребления.Рынок С. к 2025 году. Сегодня они составляют менее 2 процентов.

Для обслуживания остальных 90 с небольшим процентов покупателей автопроизводители вкладывают средства в новые архитектуры двигателей и технологии, которые увеличивают мощность, сокращают выбросы и повышают эффективность.