Бензиновый двигатель
К концу XVIII века человечество осознало необходимость найти замену сложным и требующим слишком много внимания паровым машинам. Основную часть промышленного сектора в тот момент составляли небольшие предприятия и мастерские. Наиболее распространенными на производстве двигателями на тот момент громоздкие паровые машины. Они устраивали далеко не всех. Инженеры понимали, что для повышеня эффективности производства необходимы другие силовые установки — легко запускающиеся, малых размеров и мощности.
История изобретения бензинового двигателя
Предтечей появления двигателей внутреннего сгорания стало открытие светильного газа, сделанное на рубеже XVIII и XIX столетий французским инженером Ф. Лебоном.
Патент на способ его получения и использования он получил в 1799 году. Светильный газ стал настоящим прорывом в технике освещения.
А уже через 2 года Лебоном был получен следующий патент — на разработанную им конструкцию газового двигателя.
Он состоял из камер смешения и двух компрессоров. Один из них накачивал в камеру сжатый воздух, другой – сжатый светильный газ из газогенератора. Эта смесь поступала в рабочий цилиндр и воспламенялась. Рабочие камеры располагались по обе стороны поршня и действовали попеременно.
Газовый двигатель стал первым шагом к созданию двигателя внутреннего сгорания. Но, к сожалению, разработки в этом направлении приостановились с трагической гибелью Лебона. Дальнейшие попытки многих изобретателей не привели к появлению газовой силовой установки, способной конкурировать с паровой.
Первым в мире двигателем внутреннего сгорания считается агрегат, запатентованный Жаном Этьеном Ленуаром в 1859 году.
Бельгийский инженер решил воспламенять газовую смесь с помощью электрической искры. Двигатель Ленуара был двойного действия. Воздух и газ поочередно подавались нижним золотником в полости цилиндров, расположенных по обе стороны поршня. За выпуск отработанных газов отвечал верхний золотник.
Воздух и газ поступали к золотнику по отдельным каналам, при этом всасывание смеси в полость происходило только до половины хода. Потом впускное окно перекрывалось, и электрическая искра воспламеняла получившуюся смесь, заставляя ее расширяться и толкать поршень. Когда реакция заканчивалась, второй золотник выпускал отработанные газы. В это время в цилиндре, расположенном с другой стороны поршня, происходило воспламенение топливовоздушной смеси.
Чтобы избежать заклинивания поршня из-за термического расширеня, Ленуар дополнил свою конструкцию водяной системой охлаждения и системой смазки. Несмотря на низкий КПД (около 4%), сбои в системе зажигания, большой расход газа и смазки, двигатели Ленуара получили большое распространение и имели коммерческий успех.
В 1864 году появилась более совершенная газовая силовая установка, разработанная Августом Отто. Хотя он и отказался от электрического зажигания, предложенная им конструкция позволила добиться более полного расширения продуктов сгорания, а значит, и повысить КПД двигателя до 15%.
Это превосходило показатели всех существовавших на тот момент устройств! К тому же, новый двигатель был экономичнее двигателя Ленуара в 5 раз.
Совершенствуя свое изобретение, Отто применил в конструкции кривошипно-шатунную передачу, заменившую зубчатую рейку. А вскоре, вместе с промышленником Лангеном, приступил к выпуску четырехтактных газовых двигателей. Этот цикл является основой работы ДВС и до сегодняшнего дня.
Использование светильного газа в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания существенно ограничивало область их применения, поэтому активные поиски доступной альтернативы не прекращались. В 1872 году американцем Брайтоном был предложен «испарительный» карбюратор, в котором в качестве топлива применялся керосин. Но конструкция его была слишком несовершенна.
По настоящему работоспособный бензиновый двигатель появился только спустя 10 лет. Его разработал Готлиб Даймлер, бывший членом правления фирмы Отто. Он представил проект бензиновой силовой установки, применимой на транспорте, но идея была отвергнута его патроном.
Поэтому в 1882 году Даймлер и Майбах уходят из фирмы «Отто и компания» и создают собственную мастерскую. Их цель была амбициозна: создать легкий, компактный и мощный двигатель, способный перемещать экипаж.
Первое детище Даймлера и Майбаха было стационарным. Процесс испарения бензина и система зажигания в нем были далеки от совершенства.
Простую и надежную систему предложил конструктор Д. Банки в 1893 году. Изобретенный им карбюратор стал прообразом современных. После этого прогресс в развитии ДВС начал стремительно набирать обороты. Увеличивались объем цилиндров и их количество. Широкое распространение получили 4-цилиндровые силовые установки, обеспечивающие равномерность вращения коленчатого вала.
В первый раз бензиновый двигатель был использован на велоколяске Карла Бенца. Немецкий автоконструктор построил ее в 1885 году. Трехколесная машина развивала скорость до 16 км/ч. А через 13 лет Карл Бенц создал уже четырехколесную велоколяску, мощностью 3 лошадиные силы, которая могла «мчаться» со скоростью 30 км/ч!
Первый — в привычном нам понимании — автомобиль с бензиновым двигателем увидел свет в 1895 году.
Его создали французские инженеры Р. Панар и Э. Левассор. Машина имела кузов типа седан и оснащалась силовой установкой Даймлера, которая располагалась впереди и закрывалась крышкой капота. Крутящийся момент передавался на задние колеса с помощью корданового вала. Автомобиль имел стенки кузова, лобовое стекло, крышу, резиновые шины, коробку передач и рычаг переключения скоростей. Так началась эпоха автомобилей с бензиновыми двигателями. Среди пионеров построения таких самоходных экипажей были З. Маркус, А. Пежо, Братья Рено, Ф. У. Ленчестер, Г. Остин и Г. Форд.
Устройство и принцип работы бензинового двигателя
Устройство и принцип работы современных бензиновых двигателей удобнее всего рассмотреть на примере одноцилиндровой четырехтактной установки, поскольку отличаются они только количеством цилиндров. Одноцилиндровый бензиновый двигатель состоит из:
- глушителя;
- пружины клапана;
- карбюратора;
- впускного клапана;
- поршня;
- свечи зажигания;
- выпускного клапана;
- шатуна;
- маховика;
- распределительного вала;
— коленчатого вала.
Такт сжатия происходит при следующей половине оборота коленчатого вала. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ. Оба клапана в этот момент остаются закрытыми. Рабочая смесь сжимается, в цилиндре возрастает давление и температура.
Такт расширения по сути является рабочим ходом. После завершения сжатия рабочей смеси, происходит ее воспламенение от искры, создаваемой свечой. Процесс сгорания приводит к возрастанию температуры и давления (2,500 гр.С и 5 МПа). Поршень начинает двигаться вниз и воздействует на шатун, который толкает коленчатый вал, предавая ему вращательное движение. Полезная работа такта расширения заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Когда поршень приближается к НМТ, происходит открытие выпускного клапана, открывающего путь отработанным газам. Температура и давление в цилиндре падает (1,200 гр. С, 0,65 МПа).
Такт выпуска начинается с движением поршня в ВМТ. При этом выталкиваются отработанные газы в полностью открытый выпускной клапан. По окончании такта выпуска температура и давление в цилиндре падают (500 гр.
С, 0,1 МПа). Но определенный процент отработанных газов остается в цилиндре и участвует в образовании рабочей смеси следующего такта.
Четыре такта работы двигателя повторяются циклически. Маховик, прикрепленный к коленчатому валу, способствует ровной и устойчивой работе установки.
Достоинства и недостатки бензиновых двигателей ДВС
Преимущества бензиновых ДВС — значительная мощности на единицу объема, большой ресурс, простота выхлопной системы.
Кроме того, следует отметить низкий уровень шума работы силовой установки и отсутствие необходимости в стартере. Бензиновые ДВС достигают больших оборотов и поэтому успешно применяются в небольших автомобилях и обеспечивают агрессивную динамику езды.
Недостатками бензиновых двигателей являются низкий КПД (до 30%), высокие требования к качеству топливной смеси и низкая эффективность на малых оборотов. В последнее время много нареканий звучит в адрес экологических показателей бензиновых ДВС.
Кроме этого, подобные двигатели укрепляют зависимость мирового автомобильного парка от, увы, небезграничных природных ресурсов. И, хотя, бензиновые ДВС далеко не полностью исчерпали свои потенциальные возможности, во всем мире ведутся активные поиски и разработки альтернативного топлива и источников энергии.
Бензиновые двигатели: тенденции развития | Кутенёв
1. EPA and NHTSA finalize historic national program to reduce greenhouse gases and improve fuel economy for cars and trucks. EPA-420-F-10-014. URL: http://www. cnama.org/wp-content/uploads/2010/10/420f10014.pdf (дата обращения: 19.01.2017).
2. Annual mean CO2 concentration at Mauna Loa Observatory. National Oceanic and Atmospheric Administration. Recent monthly average Mauna Loa CO2.
URL: https://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/ (дата обращения: 19.01.2017).
3. On the road toward 2050: Potential for substantial reductions in light-duty vehicle energy use and greenhouse gas emissions / Ed. J. Heywood and D. MacKenzie. — MIT Energy Initiative Report, 2015. — 288 с.
4. Advancing technology for America’s transportation future. — Summary Report, National Petroleum Council, 2012. — 69 с.
6. Catalogue of «Automobil Revue». — Berne, 2005, 2009, 2015. — 594 с.
7.
Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Автомобильные бензиновые двигатели: смена приоритетов // Труды НАМИ. — 2013. — № 252. — С. 5-31.
8. Isenstadt A., German J., Dorobantu M. Naturally aspirated gasoline engines and cylinder deactivation. International Council on Clean Transportation Working Paper 2016-12. — 2016. — С. 1-16.
9. Isenstadt A., German J., Dorobantu M., Boggs D., Watson T. Downsized, boosted gasoline engines. International Council on Clean Transportation Working Paper 2016-21. — 2016. — С. 1-23.10. Каменев В.Ф., Миронычев М.А., Сонкин В.И. Перспективы и проблемы непосредственного впрыска бензина // Труды НАМИ. — 2003. — № 231. — С. 63-85.
11. Сонкин В.И. Регулируемый клапанный привод автомобильного двигателя.
— М.: Машиностроение, 2015. — 124 с.
12. Зленко М.А. Повышение топливной экономичности бензиновых двигателей путём отключения части цилиндров: дисс.. канд. техн. наук. — М., 1986. -210 с.
13. Ханин Н.С., Аболтин Э.В., Лямцев Б.Ф., Зайченко Е.Н., Аршинов Л.С. Автомобильные двигатели с турбонаддувом. — М.: Машиностроение, 1991. — 336 с.
14. Сонкин В.И. Бензиновый двигатель пониженной размерности — современная концепция // Труды НАМИ. — 2015. — № 261. — С. 68-84.
15. Автомобильные двигатели / под ред. М.С. Ховаха. — М.: Машиностроение, 1977. — 591 с.
16. Heywood J.B. Internal Combustion Engine Fundamentals.
— McGraw-Hill Inc., 1988. — 930 с.
17. Bruce C. Volkswagen’s new engine packs a variable geometry turbo. URL: http://www.autoblog. com/2016/04/28/volkswagen-engine-variable-turbo-ea211-vienna/ (дата обращения: 19.01.2017).
18. Mazda CX-9 shows 32% improvement in EPA-estimated fuel economy over predecessor; SKY-ACTIV-G 2.5 turbo. URL: http://www.greencarcongress. com/2016/03/2016-mazda-cx-9-shows-32-improvement-in-epa-estimated-fuel-economy-over-predecessor-skyac-tiv-g-25-tu.html (дата обращения: 19.01.2017).
19. Audi introduces new high-efficiency 2.0L TFSI based on Miller Cycle; 190 hp, 47 mpg. URL: http://www. greencarcongress.com/2015/05/20150708-audi.html (дата обращения: 19.01.2017).
20.
Двигатель внутреннего сгорания: патент 2030608 Росс. Федерация. № 4787772/06; заявл. 02.02.1990; опубл. 10.03.1995.
21. Hubkolben-brennkraftmaschine mit variablem verdichtungsverthaltnis: patent DE 5010234D1, 2002.
22. Kendal J. Nissan unveils 2018 production variablecompression-ratio IC // Automotive Engineering, October 03, 2016. URL: http://articles.sae.org/15040/ (дата обращения: 19.01.2017).
23. Magda M. Porsche working on variable compression connecting rod. URL: http://www.enginelabs.com/ news/porsche-working-on-variable-compression-con-necting-rod/ (дата обращения: 19.01.2017).
24. Wilcutts M., Switkes J., Shost M., Tripathi A. Design and benefits of dynamic skip fire strategies for cylinder deactivated engines // SAE Paper.
25. Birch S. Ford tests cylinder deactivation on its 1.0-L EcoBoost triple // Automotive Engineering. — 2015. -Vol. 2. — № 6. — С. 6-8.
26. Nakata K., Nogava S., Takashi D., Yoshihara Y., Kumagai A., Suzuki T. Engine technologies for achieving 45% thermal efficiency of S.I. engine // SAE International Journal Engines. -2016. — № 9. — С. 179-185.
27. Сонкин В.И., Артёмов А.А., Иванов Д.А., Шустрое Ф.А. Бензиновый двигатель с процессом управляемого самовоспламенения // Труды НАМИ. — 2010. — № 245. — С. 30-41.
01.2017).29. German J. Hybrid vehicles technology development and cost reduction. International Council on Clean Transportation, Technical Brief. — 2015. — № 1. — С. 1-18.
30. Kawamoto N., Naiki K., Kawai T., Shikida T., Tomatsuri M. Development of new 1.8-liter engine for hybrid vehicles // SAE Paper. — 2009. — № 2009-01-1061. -С. 1-9.
31. Fraidl G., Ebner P., Geiger U., Atzwanger M., Grantner H., Weissback M. Impact of electrification on the internal combustion engine / Proceedings Engine & Environment 2009: Combustion Engine and Electric Drive -Partners or Competitors in the Powertrain of the Future? 21st International AVL Conference “Engine & Environment”, September 10-11, 2009. — Graz, Austria, 2009. -С. 175-186.
32.
Beste F., Fischer R., Ellinger R., Pels T. The pure Range Extender as enabler for electric vehicle / Proceedings Engine & Environment 2009: Combustion Engine and Electric Drive — Partners or Competitors in the Powertrain of the Future? 21st International AVL Conference “Engine & Environment”, September 10-11, 2009. — Graz, Austria, 2009. — С. 91-100.
33. Yamaguchi J. Steering Mazda’s unique course // Automotive Engineering. — 2016. — Vol. 3. — № 8. -P. 18-22.
3 сценария и особый путь России — журнал За рулем
Проблема не в том, что невозможно создать ДВС, отвечающие нормам Евро‑7. Машина с таким двигателем выйдет слишком дорогой. Поэтому с 2025 года все европейские компании выпускают только электромобили. И водородомобили для тех, кому не хочется стоять на зарядных станциях по часу. Сегодняшние машины на водородном топливе могут преодолевать 500–700 км.
Правда, у них есть сложности с пуском при минусовых температурах.
Материалы по теме
Производственные трудности невелики, в линейке большинства мировых фирм уже есть электромобили и целые платформы для будущих электрокаров. Еще одну — Electric-Global Modular Platform — в конце прошлого года представил Hyundai. Volkswagen и без Евро‑7 давно заявил, что к 2026 году завершит работу с ДВС. А Mercedes-Benz год назад рапортовал, что ДВС нового поколения не планирует и сосредоточится на электротяге.
Стимулирующие покупателей электромобилей льготы и поблажки, которые кое-где сейчас действуют, к тому моменту отменят. Раньше надо было суетиться! Стимулировать, скорее всего, начнут скорейший отказ от ДВС — налогами. Поэтому европейцы постараются не тянуть с заменой старенького зловонного Фиата или Ситроена.
Непростой задачей поначалу станет обслуживание электромобилей. Великобритания, например, сейчас столкнулась с тем, что только один из двадцати механиков обучен для работы с таким транспортом.
ЧЕЙ КЛАСС ЛУЧШЕМатериалы по теме Российские нормы содержания вредных веществ в выбросах автомобилей узаконены в ТР «О безопасности колесных транспортных средств» (единый норматив для стран-членов ЕАЭС). Все наши экологические классы с первого по шестой — отсылки к Правилам ООН. В России пятый класс действует с 1 января 2016 года. А в Евросоюзе годом ранее вступил в силу Евро‑6. Что касается топлива, то российские экологические классы для бензина и солярки оговорены в отдельном техническом регламенте (ТР 013/2011) и ГОСТах «Топлива моторные. Бензин неэтилированный» и «Топливо дизельное ЕВРО». Ссылок на Правила ООН здесь нет, и наши топлива по ряду параметров незначительно отличаются от европейских. Экологические же классы (К2, К3, К4, К5) различаются исключительно по содержанию серы. Понятия К6 в наших документах пока нет. Роснефть больше года выпускает и продает бензин марки «Евро‑6» с улучшенными экологическими свойствами, но в документации он обозначен как АИ‑95‑К5. |
Второй сценарий будущего: мягкий
Производители, сознавая, что на электромобилях весь бизнес не вытянешь, разрабатывают инновационные ДВС. По примеру Мазды, только что показавшей прототипы новой линейки. Появятся новые автоматические коробки передач всех типов. У механики будущего нет — она портит выхлоп.
Материалы по теме
При сохранении массового производства стоимость новых моторов выйдет приемлемой. Число моделей с ДВС сильно уменьшится, но они и после 2025 года как минимум в форме гибридов останутся в строю наравне с электрическими. Разница в цене исчезнет, а в рекламе прозвучит: «Только машины с ДВС позволяют ехать 1000 км без остановки!»
Вообще, в Евросоюзе продают всего 17,5% новых машин, выпускаемых в мире. Меньше чем в США, меньше чем в Китае. А в большинстве стран еще долго будут царить местные экологические нормы. Так что заводы в Бразилии, Мексике, Индии, Турции и России продолжат миллионами выпускать привычные автомобили.
Да и в США с Китаем, скорее всего, тоже.
«Нам придется еще долго полагаться на двигатели внутреннего сгорания».
Канцлер Германии Ангела Меркель, ноябрь 2020 года
КОРОТКОБОЙЩИКИПроизводители грузовиков реагируют на Евро‑7 спокойно. В декабре 2020 года Daimler Trucks, Scania, MAN, Volvo AB, DAF, Iveco и Ford Trucks подписали соглашение о прекращении продаж траков с ДВС… лишь в 2040 году. Хотя многие компании давно продают электрические и водородные грузовики, в том числе магистральные. В большинстве стран мира быстрый отказ от грузовиков с ДВС невозможен. Сегодня немецкий перевозчик на водороде или электротяге не доберется до Челябинска. Да и до Греции, пожалуй, тоже. Сети соответствующих заправок развиты неравномерно даже в Евросоюзе. Главные препятствия продвижения водородных грузовиков: дороговизна машин и топлива, низкий ресурс узлов, сложности с перевозкой водорода и его хранением. Даже у лучших электрических образцов мал запас хода — 300–400 км (у камазовского грузовика Moskva — 200 км). |
Быстрая зарядка занимает час-полтора, медленная — до десяти часов. Заявленные показатели инновационного тягача Tesla Semi (на иллюстрации) намного выше (500–960 км, зарядка до 80% на специальной станции — за полчаса), но почему-то начало его продаж откладывалось уже три раза.Факт 1 Транспортный сектор обеспечивает примерно 20% от глобального объема выбросов углекислого газа (8 млрд т в год). Среди всех видов транспорта наибольшую экологическую нагрузку дают автомобили: 30% — грузовые, 45% — пассажирские (включая автобусы и мотоциклы). Для сравнения, на пассажирские и грузовые авиаперевозки приходится менее 12% выбросов, на морские перевозки — 11%, а на железнодорожный транспорт и вовсе 1% | Факт 2 Выбросы взвешенных частиц не только и не столько зависят от типа двигателя и экологического стандарта топлива, сколько от общего состояния автомобиля и дорожной инфраструктуры. По данным исследований, проведенных в Великобритании и России, на отработавшие газы приходится только 28% выбросов, 7% — на тормозную систему, 12% — на износ шин, а больше всего — 53% — на износ дорожного покрытия |
Сценарий российский, реалистичный
Весной 2031 года мэр Москвы торжественно откроет тысячную зарядную станцию в столице. «За десять лет продажи электромобилей в России выросли в десять раз и составили 3530 штук!» — скажет мэр, умолчав о том, что четверть станций в данный момент неработоспособна, а во всей остальной России таких заправок меньше сотни. Затем все сядут на выпущенные в Подмосковье Мерседесы S‑класса с бензиновыми моторами — и разъедутся.
Материалы по теме
Зимой электромобили с севшими батареями десятками беспомощно стоят в тоннелях и на эстакадах, ожидая мобильную техпомощь (с дизельными генераторами) и усугубляя пробки. Их замерзающих владельцев весело троллят водители Солярисов и Ларгусов.
Материалы по теме
А если серьезно, то всего год назад приняты поправки в Приложение 1 Технического регламента Евразийского экономического союза, оговаривающие существование в России шестого экологического класса.
До того в странах ЕАЭС предусматривали только пять экологических классов, и стало невозможно выдавать ПТС для транспортных средств «с выхлопом Евро‑6», поступающих в продажу. Появление шестого класса не предполагает новых ограничений для машин, продаваемых у нас, или новых требований к топливу — это всего лишь констатация факта, что такие автомобили существуют в природе.
И Евро‑7 в обозримом будущем нам ничем не грозит, поскольку мы движемся с отставанием от Европы на 10–15 лет. Примерно до 2040 года можно не беспокоиться об установке индивидуальной розетки во дворе. И надо крепко подумать, стоит ли нам вообще гнаться за Европой: применительно к Мурманску или Норильску электромобиль выглядит нелепицей сейчас — и за 10–15 лет законы физики вряд ли изменятся.
КАК УЛУЧШИТЬ ДВС?Способов оптимизации сгорания много, отнюдь не фантастических, и они постепенно воплощаются серийно. Так, компания Mazda реализовала на дизеле 2. Многие фирмы работают с переменной степенью сжатия, регулируемыми в широких пределах фазами газораспределения, охлаждением отработанных газов, новыми технологиями впрыска, автоматическим отключением невостребованных цилиндров. Материалы по теме Наконец, самый радикальный подход: технология FreeValve от шведского производителя суперкаров Koenigsegg. Не нужны распредвалы, привод ГРМ, дроссельная заслонка — всем процессом газораспределения занимаются компактные электромагнитные актуаторы. Фазы меняются без ограничений, что позволяет в зависимости от режима использовать несколько выгодных термодинамических циклов помимо стандартного цикла Отто и имитировать изменение степени сжатия. Быстрому созданию «идеального ДВС» препятствуют конкуренция и патентная система. Но в критической для всех ситуации заводы, возможно, найдут общий язык. |
2 SkyActiv-D рекордно низкую степень сжатия 14,1:1. Результат: более низкое давление и температура в верхней части поршня, лучшее смешение воздуха и топлива, меньше оксидов азота и сажи на выпуске. На бензиновом SkyActiv-X (2018 год) впервые применено воспламенение от сжатия, что значительно повысило КПД и дало большой выигрыш по экологии.
Выбросы теоретически возможны нулевые.Пусть бензин отдохнет — Энергетика и промышленность России — № 10 (102) май 2008 года — WWW.EPRUSSIA.RU
Газета «Энергетика и промышленность России» | № 10 (102) май 2008 года
Возможность отказа от нефтяного автомобильного топлива обсуждается уже много лет. Еще два-три десятилетия назад автомобильные компании рассматривали в качестве возможной перспективы использование электрических двигателей вместо двигателей внутреннего сгорания. Работы велись как за рубежом, так и в СССР. Но дальше опытных образцов дело так и не пошло.Еще недавно единственным источником электрической энергии были аккумуляторы, которые устанавливались на электромобили в виде больших и тяжелых батарей. Получалось, что грузоподъемность электромобилей оказывалась заведомо ниже (в лучшем случае – раза в полтора меньше, чем у машины с двигателем внутреннего сгорания), а запаса хода было достаточно разве что для перевозки товаров со склада в близлежащие магазины. О дальних поездках даже речи не шло. Вдобавок, из‑за высоких затрат на электроэнергию, традиционные бензиновые машины оказывались намного выгоднее.
Развитие аккумуляторных электромобилей продолжается и сегодня. Например, в мелкосерийное производство была запущена спортивная машина Venturi Fetish. Отличаясь неплохими разгонными характеристиками, она, тем не менее, не слишком быстра – максимальная скорость ограничена 170 км / ч. Ионно-литиевые аккумуляторы обеспечивают запас хода до 350 км, но и весят при этом 350 кг. Стоит такая машина около 450 000 евро.
Топливные элементы как альтернатива
Очевидно, что аккумуляторы – это тупиковый путь. Такие электромобили постепенно уйдут в прошлое. Их сменят машины на топливных элементах, разработка которых всячески поощряется в США. В Европе и Японии топливные элементы тоже в центре внимания автопроизводителей, и даже наш «АвтоВАЗ» демонстрировал машины на топливных элементах на базе «десятки» и «Нивы».
Топливные элементы – это класс химических источников тока со множеством разновидностей. Наиболее перспективными считаются топливные элементы на основе протонообменных мембран. Такие мембраны служат в качестве электролита и проводят только протоны, не пропуская через себя электроны. По разные стороны от мембраны расположены анод, катод и катализатор, в качестве которого чаще всего используется платина. Водород подается в топливный элемент со стороны анода и, контактируя с катализатором, распадается на два протона и два электрона. Электроны не могут пройти через мембрану и поступают во внешнюю электрическую цепь.
Протоны же через мембрану уходят на катод, где вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. Необходимые в реакции образования воды электроны поступают на катод из внешней цепи.
На первый взгляд, топливные элементы являются чуть ли не идеальным источником энергии. Их, в частности, отличают высокий (до 80%) КПД, отсутствие вредных выбросов (единственный отход – вода) и меньшая, чем у аккумуляторов, масса. Однако проблем при использовании топливных элементов тоже хватает.
Водородная «бомба»
Взять хотя бы использование в качестве топлива водорода. Этот газ чрезвычайно тяжело хранить и транспортировать. Как правило, для этого приходится использовать баллоны с давлением 350‑500 атмосфер (для сравнения: обычные российские гелиевые баллоны, из которых надувают воздушные шарики, имеют максимальное рабочее давление в 150 атмосфер). К тому же водород крайне взрывоопасен, отличается высокой текучестью и способен просачиваться сквозь самые небольшие неплотности. В этом отношении он намного хуже метана или пропан-бутановой смеси, которые также часто используются в качестве автомобильных топлив.
По сути, машина с водородным баллоном – это «бомба на колесах». И если взрывы бензиновых автомобилей встречаются чаще в боевиках, чем в реальной жизни, то с водородом все обстоит по‑другому. Чтобы предотвратить беду, системы питания водородных машин снабжают сложной запорной арматурой. Решить проблему высоких давлений в баллонах путем сжижения водорода нереально – машины придется комплектовать мощными криогенными установками, ведь при обычной температуре водород сжижить нельзя.
Есть и еще один выход. Можно заправлять машины с топливными элементами не водородом, а жидким топливом, подходящим для получения водорода: метанолом или даже обычным бензином. Однако и тут не все безоблачно: машину нужно комплектовать реактором для разложения жидкого топлива, а побочный продукт реакции – углекислый газ – вызывает парниковый эффект.
Наконец, не стоит забывать, что водород в промышленности получают из метана, а метан является исходным веществом для синтеза метанола, причем синтез этот является многостадийным. То есть водородное топливо очень дорого, да и сокращению выбросов в атмосферу оно никак не способствует: разве что виновником выбросов оказывается уже не автотранспорт, а заводы, где изготавливается топливо.
Альтернативный способ получения водорода – электролиз воды – требует огромных затрат электричества, что опять же дает в итоге увеличение вредных выбросов от электростанций.
Перспективным может оказаться получение водорода из биомассы, но такие процессы пока не покинули пределов исследовательских лабораторий.
Активно ведутся работы и над топливными элементами, работающими не на водороде, а на том же метаноле. При использовании метанола целый ряд проблем отпадает сразу, хотя за это приходится платить уменьшением КПД такого топливного элемента.
«Переходные» топлива
Впрочем, химические источники тока – не единственный способ питания электродвигателя. Существуют и другие варианты: солнечные батареи или миниатюрные ядерные реакторы. Первые пока остаются лишь экзотикой, а вторые – фантастикой, причем фантастикой опасной. Все говорит о том, что в ближайшее десятилетие электромобили массовым явлением не станут. В лучшем случае мы станем свидетелями своеобразного переходного периода. Об этом, в частности, свидетельствует постепенное распространение гибридных автомобилей, использующих и двигатель внутреннего сгорания, и электромотор.
Пионером здесь стала компания Toyota c машиной Prius; в скором будущем начнутся продажи в США «гибридов» Honda, готовят такие машины и американские производители. Основным достоинством гибридных машин является сокращение вредных выбросов, за которые приходится расплачиваться усложнением и утяжелением силового агрегата.
Однако списывать на свалку истории двигатель внутреннего сгорания тоже еще очень рано. Рост цен на нефть в последние месяцы заставил вновь заговорить об использовании в ДВС альтернативных горючих вместо бензина и дизельного топлива.
Вообще говоря, под альтернативными топливами порой подразумевают очень широкий перечень продуктов. В него, в частности, попадают сжиженные нефтяные газы (та самая пропан-бутановая смесь, которой «кормятся» такси и чуть ли не все «Газели») и сжатый природный газ – метан. Такое топливо прекрасно «чувствует себя» в современных двигателях и достаточно популярно.
Мотор -алкоголик
Однако интереснее будет поговорить о других, менее известных видах топлива. Самым популярным альтернативным топливом, безусловно, являются спирты и их смеси с углеводородами.
Без внесения модификаций в конструкцию двигателя вместо бензина можно использовать метанол или этанол – ничего нового в этом нет. Метанол давным-давно используется в спортивных автомобилях и мотоциклах, а на этаноле и его смесях с бензином (такое топливо называется газохол) ездят в Бразилии.
Впрочем, этанол для этих стран привлекателен по одной простой причине – они имеют возможность производить его в огромных количествах из растительного сырья.
Для стран, где, в отличие от Бразилии, сахарного тростника нет, этанол годится лишь как добавка к бензину. Причем в таких странах (в том числе и Россия) придется обходиться не дешевым тростниковым, но довольно дорогим синтетическим спиртом, который получают на базе нефтяного и газового сырья.
Метанол же очень ядовит. С другой стороны, если нефть, как сейчас, продолжит дорожать (не говоря уж о возможном исчерпании ее запасов), то метанол, получаемый на базе природного газа, может все‑таки стать привлекательным топливом.
Эфир – понятие техническое
Для дизельных двигателей нефтяное топливо – тоже не единственный вариант. В качестве альтернативы ему предлагаются продукты как растительного, так и синтетического происхождения. В первом случае можно использовать рапсовое масло, которым, по некоторым данным, можно хоть сейчас заправить любой современный дизельный двигатель (правда, потребуются некоторые регулировки – впрочем, не затрагивающие конструкции двигателя).
Другая альтернатива – диметиловый эфир, который уже окрестили дизельным топливом XXI века. Это газообразное при обычных условиях вещество, и для его применения двигатели придется несколько модифицировать. Использование диметилового эфира позволит повысить экологичность дизельного транспорта, устранив выбросы сернистых и других вредных соединений.
Наконец, топливом для ДВС может служить и водород, правда проблем с ним будет еще больше, чем при использовании в электромобилях. Очень высокая температура сгорания водорода неизбежно повлечет за собой повышение тепловой нагрузки на двигатель. И если моторы новейших BMW водородное топливо воспринимают «на ура», то у двигателя машины попроще запросто могут прогореть поршни и цилиндры.
Высокие температуры в двигателе могут свести на нет и безвредность выбросов от сгорания водорода. Дело в том, что при высоких температурах значительно активнее будет происходить окисление азота с образованием его оксидов, ядовитых самих по себе и вызывающих кислотные дожди.
Итак, что же в итоге? Пока ни электромобили, ни «гибриды», ни машины на альтернативных топливах не способны конкурировать с традиционными бензиновыми и дизельными автомобилями. И даже при высоких ценах на нефть использование нефтяного топлива оказывается выгоднее применения водорода или метанола. Хотя, разумеется, в будущем ситуация будет потихоньку меняться.
Наиболее многообещающим в качестве «иного топлива» пока что является все же метанол. Его можно применять как в двигателях внутреннего сгорания, так и в топливных элементах. Кроме того, перевести заправочные станции на метанол значительно проще, чем на водород. Да и вероятность взрыва тут значительно меньше.
Как продать воздух
В 2000 году многочисленные СМИ пророчили, что в начале 2002 года начнется массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива. Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием e. Volution на выставке «Auto Africa Expo-2000», которая состоялась в Йоханнесбурге. Изумленной общественности сообщили, что e. Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая при этом скорость до 130 км / час. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км / час. Было заявлено, что стоимость такой поездки обойдется владельцу e. Volution всего в 30 центов.
При этом весит машина всего 700 кг, а двигатель – 35 кг. Революционную новинку представила французская фирма MDI (Motor Development International), которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай Негр, известный как разработчик пусковых устройств для болидов «Формулы 1» и авиационных двигателей. Гай Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Свое детище француз назвал Zero Pollution.
Девизом Zero Pollution стало «Простой, экономичный и чистый»: упор был сделан на его безопасность и безвредность двигателя для экологии. Принцип работы агрегата, по словам изобретателя, таков: «Воздух засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 баров. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру. То есть – «в камеру сгорания», хотя в ней уже ничего не сгорает, но под давлением подается холодный сжатый воздух из баллонов; он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передает рабочее усилие на коленчатый вал. Можно даже сказать, что «воздушный» двигатель работает так же, как и обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут нет.
Кроме того, было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа, выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов.
Представители Zero Pollution заявили, что для заправки «воздухомобиля» достаточно наполнить воздушные резервуары, расположенных под днищем автомобиля, что занимает около четырех часов. Впрочем, в будущем планировалось построить «воздухозаправочные» станции, способные наполнить 300-литровые баллоны всего за 3 минуты.
Предполагалось, что продажи «воздухомобилей» начнутся в Южной Африке по цене около $10 тысяч. Также говорилось о строительстве пяти фабрик в Мексике и Испании и трех – в Австралии. Лицензию на производство автомобиля якобы уже получили больше дюжины стран, а южноафриканская компания вроде бы получила заказ на производство 3000 автомобилей вместо запланированной экспериментальной партии в 500 штук.
Однако после громких заявлений и всеобщего ликования что‑то произошло. Внезапно все стихло, и о воздухомобиле забыли.
Есть мнение, что экологичную разработку саботировали автомобильные гиганты. Эту версию отчасти подтверждает сайт «Deutsche Welle»: «Авторемонтные предприятия и нефтяные концерны единодушно считают автомобиль с воздушным двигателем «недоработанным».
Однако и независимые эксперты были настроены скорее скептически, тем более что ряд крупных автомобилестроительных концернов (например, «Фольксваген») уже в 1970‑80‑х годах вели исследования в этом направлении, но затем свернули ввиду их полной бесперспективности.
«Deutsche Welle» обращает внимание на то, что в различных публикациях «описание двигателя и принципиальная схема его работы грешат неточностями и ошибками, а, кроме того, версии на разных языках не только изрядно различаются, но порой и прямо противоречат друг другу. Чуть ли не в каждом издании приводятся свои, отличные от прочих, технические параметры».
Разброс цифр столь велик, что,невольно задаешься вопросом: неужели они относятся к одному и тому же автомобилю?
Еще одна странная закономерность состоит в том, что с каждой следующей публикацией параметры автомобиля улучшаются: то мощность подрастет, то цена упадет, то масса уменьшится, то емкость баллонов увеличится. Так что сомнения тут вполне уместны и оправданы.
Как из камня сделать пар
Однако есть и еще одна странная вещь – автором в результате поисков в сети Интернет было найдено много интересного на «воздушную» тему. Любопытно, что на состоявшейся в феврале 2001 года в Нюрнберге международной ярмарке игрушек канадская фирма Spin Master предложила покупателям модель самолета, оснащенную двигателем, работающим на сжатом воздухе. Мини-резервуар можно надувать любым насосом, и пропеллеры уносят оригинальную «игрушку» в небеса. Кроме того, в одном документе одна столичная компания предлагает чиновникам «ознакомиться с предложением автомобильной фирмы MDI (Франция) о производстве в Москве абсолютно экологически чистых и экономичных автомобилей». Встречается и предложение В. А. Конощенко, который сообщает об изобретенном им автомобиле, работающем на сжатом воздухе, прилагая описание устройства, а также изобретение Р. Шаймухаметова – «Садоход», который «приводится в движение от сжатого воздуха: под капотом агрегата находится небольшой двигатель и серийный компрессор. Воздух вращает автономно друг от друга два блока (слева и справа) эксцентрических роторов (поршней). Роторы в блоке через ходовые колеса соединены гусеничной цепью.
В итоге у автора сложилось двоякое впечатление: с одной стороны, не до конца понятна история с французским «воздухомобилем», а с другой – куда более четкое ощущение, что «воздушный» транспорт давно используется, и в особенности почему‑то в России. И притом с позапрошлого века. Есть данные о том, что спроектированная самоучкой И. Ф. Александровским 33-метровая подводная лодка с двигателем, работающим на сжатом воздухе, летом 1865 года была спущена на воду, успешно прошла ряд испытаний и только после этого затонула.
Газ как соперник
Газ, как известно, агрегатное состояние вещества, в котором оно равномерно заполняет весь предоставленный ему объем.
В тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа. Такой выбор горючего никого не удивил – бензина еще не было. Бензин в качестве горючего был использован спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых «самодвижущихся колясках» – автомобилях.
Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов прошлого столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.
Сейчас бензин дорожает, и его пытаются заменить. И природным газом, и синтезированными газами и жидкостями (например – спиртом, который гонят из самого разного сырья: от тростника до апельсиновых корок). Все эти виды топлива менее опасны для окружающей среды, чем бензин.
Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина – вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.
Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца. В отработанных газах бензинового двигателя из‑за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) – токсичное для человека вещество. И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления.
Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества – этил и этилен, а газовый двигатель – метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен. Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра. Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации, тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа (105) недостижимо для любых марок бензина.
Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива. Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ по сравнению с бензином горит при меньших концентрациях, то есть при более «бедных» смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, напротив, можно понизить мощность.
Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно «послушнее» бензина. Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы – в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях – ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозии металла. Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.
История бензинового двигателя (ДВС) — Двигатели автомобилей
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания прочно вошел в нашу жизнь и останется в ней еще на неопределенное время. Развитие альтернативных топливных технологий предполагает, что в некотором будущем бензиновый мотор станет в конечном счете лишь историей, однако его потенциал, по расчетам специалистов, исчерпан лишь на 75 процентов, что позволяет назвать бензиновый ДВС на данный момент одним из главных типов двигателей в нашем мире.
Изобретение бензинового мотора, как и многих других современных вещей, существование без которых сегодня немыслимо, произошло благодаря, в общем-то, случайности, когда в 1799 году французом Ф. Лебоном был открыт светильный газ – смесь водорода, окиси углерода, метана и некоторых других горючих газов. Как предполагает его название, светильный газ использовался для осветительных приборов, заменивших в то время свечи, однако в скором времени Лебон нашел ему и другое применение. Изучая свойства найденного газа, инженер заметил, что его смесь с воздухом взрывается, выделяя большое количество энергии, которую можно использовать в интересах человека. В 1801 году Лебон запатентовал первый газовый двигатель, состоящий из двух компрессоров и камеры сгорания. По существу газовый двигатель Лебона стал примитивным прототипом современного ДВС.
Нужно отметить, что попытки поставить тепловую энергию взрыва на службу человечеству предпринимались задолго до рождения Лебона. Еще в 17-м веке нидерландский ученый Христиан Гюйгенс использовал порох, чтобы приводить в движение водяные насосы, доставляющие воду в сады Версальского дворца, а итальянский физик Алессандро Вольта в конце 80-х годов 18 века изобрел «электрический пистолет», в котором электрическая искра воспламеняла смесь водорода и воздуха, выстреливая из ствола кусок пробки.
В 1804 году Лебон трагически погиб и развитие технологии внутреннего загорания на некоторое время приостановилось, пока бельгиец Жан Этьен Ленуар не догадался использовать принцип электрического зажигания для воспламенения смести в газовом двигателе. После нескольких неудачных попыток, Ленуару удалось создать работающий двигатель внутреннего сгорания, который он запатентовал в 1859 году. К сожалению, Ленуар оказался больше коммерсантом, чем изобретателем. Выпустив несколько сотен своих моторов, он заработал довольно приличную сумму денег и прекратил дальнейшее усовершенствование своего изобретения. Тем не менее, двигатель Ленуара, использовавшийся как привод локомотивов, дорожных экипажей, судов и в стационарном виде, считается первым в истории работающим двигателем внутреннего сгорания.
В 1864 году немецкий инженер Август Отто получил патент на собственную модель газового двигателя, КПД которого достигал 15-ти процентов, то есть был не только эффективнее двигателя Ленуара, но и эффективнее любого парового агрегата, существовавшего в то время. Совместно с промышленником Лангеном, Отто создал фирму «Отто и Компания», в планы которой входило производство новых моторов, которых было выпущено около 5 000 экземпляров. В 1877 году Отто запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, однако, как оказалось, четырехтактный цикл был изобретен еще за несколько лет до этой даты французом Бо де Рошем. Судебная тяжба между этими инженерами закончилась поражением Отто, в результате чего его монопольные права на четырёхтактный цикл были отозваны. Тем не менее, конструкция двигателя Отто во многом превосходила французский аналог, что и предопределило его успех – к 1897 году было выпущено уже 42 000 таких моторов различной мощности.
Светильный газ в качестве топлива для ДВС существенно суживал область их применения, поэтому инженерами из разных стран постоянно проводились поиски нового, более доступного горючего. Одним из первых изобретателей, применивших бензин в качестве топлива для ДВС, был американец Брайтон, разработавший в 1872 году так называемый «испарительный» карбюратор. Однако его конструкция была настолько несовершенной, что он оставил свои попытки.
Лишь через десять лет после изобретения Брайтона был создан работоспособный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Готлиб Даймлер, талантливый немецкий инженер, работавший на фирме Отто, еще в начале 80-х годов 19-го века предложил начальнику разработанный им самим проект бензинового мотора, который можно было бы использовать на дорожном транспорте, однако Отто отверг его начинания. В ответ на это Даймлер и его друг Вильгельм Майбах уволились из «Отто и Компания» и организовали собственное дело. Первый бензиновый двигатель Даймлера-Майбаха появился в 1883 году и предназначался для установки стационарно. Зажигание в цилиндре происходило от полой раскаленной трубочки, но в целом конструкция мотора оставляла желать лучшего именно из-за неудовлетворительного зажигания, а так же процесса испарения бензина.
На этом этапе требовалась более простая и надежная система испарения бензина, которая была изобретена в 1893 году венгерским конструктором Донатом Банки. Он изобрел карбюратор, ставший прообразом карбюраторных систем, известных сегодня. Банки предложил революционную по тем временам идею – не испарять бензин – а равномерно распылять его по цилиндру. Поток воздуха всасывал бензин через дозирующий жиклёр, сделанный в форме трубки с отверстиями. Напор потока поддерживался посредством небольшого бачка с поплавком, обеспечивающим постоянную пропорциональную смесь воздуха и бензина.
С этого момента в истории развитие ДВС пошло по нарастающей. Первые карбюраторные моторы имели всего один цилиндр. Рост мощности достигался за счет увеличения объема цилиндра, однако уже к концу столетия начали появиться двухцилиндровые двигатели, а с началом 20-го века все большее распространение начали получать моторы с четырьмя цилиндрами.
Министр транспорта ФРГ поддержал отказ от бензина и дизеля к 2035 году | Новости из Германии о Германии | DW
Министр транспорта Германии Андреас Шойер (Andreas Scheuer) высказался за прекращение выпуска автомобилей с классическими бензиновыми и дизельными двигателями в течение ближайших 15 лет. «Наша цель должна заключаться в постепенном отказе к 2035 году от двигателя внутреннего сгорания, работающего на ископаемом топливе», — заявил политик в интервью газете Welt am Sonntag, публикуемом в воскресенье, 14 марта.
Это, однако, по его словам, не будет означать смерть двигателя внутреннего сгорания, учитывая использование синтетического топлива. Для того чтобы оно стало конкурентоспособным, полагает Шойер, необходимо давление со стороны законодателей. «Мы должны оставаться открытыми для технологий и в то же время продолжать вводить строгие требования по защите климата, чтобы в ближайшие 15 лет были созданы стимулы для разработки конкурентоспособного, экологически чистого топлива для двигателей внутреннего сгорания», — описал министр свое видение ситуации.
За аналогичные цели уже ранее выступали и другие немецкие политики. Так, лидер Христианско-социального союза, в который входит и Шойер, Маркус Зёдер (Markus Söder) уже осенью прошлого года высказался за запрет регистрации автомобилей с двигателями внутреннего сгорания с 2035 года. Премьер-министр Баден-Вюртемберга Винфрид Кречманн (Winfried Kretschmann) из партии «зеленых» также заявлял, что к 2035 году следует прекратить использование ископаемых видов топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Смотрите также:
Переход к альтернативной энергетике
Уголь, нефть и газ — главные враги
Парниковым газом номер один является СО2. Сжигание угля, нефти и газа — это причина образования 65 процентов всех парниковых газов. Вырубка лесов обуславливает выделение 11 процентов СО2. Главными причинами появления в атмосфере метана (16 процентов) и оксида азота (шесть процентов) на сегодня являются индустриальные методы в сельском хозяйстве.
Переход к альтернативной энергетике
Требуется новый подход
Если все останется, как и прежде, то, согласно данным Всемирного совета ООН по защите климата (IPCC), к 2100 году температура на Земле поднимется на 3,7-4,8 градуса. Однако еще можно добиться того, чтобы этот показатель не превышал 2 градуса. Для этого необходимо как можно скорее отказаться от использования ископаемого топлива — эксперты по климату говорят, что самое позднее к 2050 году.
Переход к альтернативной энергетике
Энергия солнца как двигатель прогресса
Солнце постепенно становится самым дешевым источником энергии. Цены на солнечные батареи за последние пять лет упали почти на 80 процентов. В Германии стоимость энергии, полученной в результате применения фотовольтаики, составляет уже 7 центов за киловатт-час, в странах с большим количеством солнечных дней — меньше 5 центов.
Переход к альтернативной энергетике
Все больше и эффективнее
Энергия ветра очень недорога, и в мире наблюдается бум в этой области. В Германии 16 процентов всей электроэнергии вырабатывается на ветряных установках, в Дании — почти 40 процентов. К 2020 году Китай планирует удвоить выработку на ветряках — сегодня они производят 4 процента всей электроэнергии страны. Типичная ветряная турбина покрывает потребности 1900 немецких домашних хозяйств.
Переход к альтернативной энергетике
Дома без ископаемого топлива
Хорошо изолированные дома требуют сегодня очень мало энергии, как правило, для электро- и теплоснабжения достаточно солнечных батарей, установленных на крыше. Некоторые дома производят даже слишком много энергии — она в дальнейшем может быть использована, к примеру, для зарядки электромобиля.
Переход к альтернативной энергетике
Эффективное энергоснабжение экономит деньги и CO2
Важный момент в деле защиты климата — это эффективное использование энергии. Качественные светодиодные лампы потребляют десятую часть энергии, по сравнению с традиционными лампами накаливания. Это позволяет сократить выбросы СО2 и сэкономить деньги. Запрет на продажу ламп накаливания в ЕС дал дополнительный толчок развития светодиодным технологиям.
Переход к альтернативной энергетике
Экологически чистый транспорт
Нефть имеет сегодня большое значение для транспорта, но ситуация может измениться. Альтернативы уже существуют — к примеру, этот рейсовый автобус в Кельне работает на водородном топливе, которое вырабатывается с помощью ветра и солнца путем электролиза. Такой транспорт не выделяет СО2.
Переход к альтернативной энергетике
Первый серийный автомобиль на водороде
С декабря 2014 года Toyota начала продажи первого серийного автомобиля, работающего на водородном топливе. Заправка длится всего несколько минут и «полного бака» хватит на 650 км пути. Эксперты полагают, что экологически чистый транспорт может использовать водород, биогаз или аккумуляторы.
Переход к альтернативной энергетике
Топливо из фекалий и мусора
Этот автобус из британского Бристоля ездит на биометане (СН4). Газ, который получают в результате переработки человеческих фекалий и пищевых отходов. Для того, чтобы автобус проехал 300 км необходимо столько отходов, сколько пять человек производят за год.
Переход к альтернативной энергетике
Бум на рынке батарей
Хранение электроэнергии до сих пор стоит немало. Но техника развивается стремительно, цены снижаются, а на рынке наблюдается настоящий бум. Электромобили стоят все меньше и для многих людей они становятся реальной альтернативой привычному транспорту.
Переход к альтернативной энергетике
Прогресс в области «чистых» технологий
На планете все еще два миллиарда человек живут без электричества. Однако, поскольку солнечные батареи и светодиодные лампы становятся все доступнее, их начинают активно применять жители сельской местности, как, например, здесь, в Сенегале. В специальном киоске, оборудованном солнечными батареями, заряжают переносные светодиодные лампы.
Переход к альтернативной энергетике
Движение в защиту климата
Движение в защиту климата приобретает все больше сторонников, как, к примеру, здесь — в центре германской угольной промышленности в городе Дюссельдорф. Немецкий энергоконцерн E.ON делает ставку на возобновляемые источники энергии; по всему миру инвесторы отзывают средства из проектов, связанных с ископаемыми источниками энергии.
Автор: Максим Филимонов
Audi отказалась от разработки двигателей внутреннего сгорания
Как рассказал немецкому изданию Automobilwoche глава Audi Маркус Дюсманн (Markus Duesmann), компания остановила все работы над новыми двигателями внутреннего сгорания. Это значит, что бензиновых и дизельных моторов следующего поколения не будет, хотя инженеры продолжат текущую модернизацию существующих моторов.
Предстоящее введение в 2025 году стандарта Евро 7 с более жёсткими ограничениями на выбросы, несомненно, разделит автомобильный мир на две разные группы. С одной стороны, найдутся те, кто будет по-прежнему производить автомобили с двигателями внутреннего сгорания, хотя и сократит их ассортимент в связи с переходом на гибриды. На другой стороне, которая будет более многочисленной, окажутся те автопроизводители, у кого нет другого выбора, кроме как навсегда отказаться от двигателей внутреннего сгорания в пользу электродвигателей. К этой группе присоединилась Audi, официально объявив о завершении разработки двигателей внутреннего сгорания.
Генеральный директор немецкого бренда Маркус Дюсманн заявил, что разработка новых двигателей внутреннего сгорания более невозможна и что было бы лучше адаптировать существующие двигатели к будущим стандартам, прежде чем они будут окончательно сняты с производства. Это означает, что выпуск культовых двигателей TDI и TFSI на Audi близок к завершению, как и выпуск двух знаковых моделей Audi — R8 и TT, у которых не ожидается прямых преемников.
В ближайшие 5 лет Audi планирует вывести на рынок 20 электрических моделей. Бренд также объявил о намерении к концу десятилетия превратить основные модели, такие как A4 и A6, в полностью электрические автомобили.
Это ставит Audi на тот же путь, по которому планирует продвигаться конкурирующий бренд Mercedes. На прошлой неделе Маркус Шефер (Markus Schäfer), член совета директоров, ответственный за развитие Mercedes, заявил, что компания больше не будет разрабатывать двигатели внутреннего сгорания. «Это означает, что основная часть инвестиций теперь действительно может пойти на электромобили», — сообщил Шефер в интервью ресурсу Handelsblatt.
Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Бензиновый двигатель— обзор
6.5 Проблемы, связанные со смазкой бензиновых двигателей
Достижения в технологии бензиновых двигателей приводят к значительным успехам в разработке масел для бензиновых двигателей. Ключевая технология, представленная в последние годы, — это непосредственный впрыск бензина (GDI), который часто сочетается с турбонаддувом (TGDI) для создания компактного, экономичного, но мощного двигателя. Основное внимание в этом разделе уделяется проблемам, создаваемым этими типами двигателей.
На рис. 6.7 показано сравнение удельной мощности между типичным впрыском топлива в порт (PFI) и опциями TGDI, доступными на моделях автомобилей одного производителя.Можно увидеть, что удельная мощность последнего намного выше, часто намного выше 100 л.с. (Pferdestarke — метрическая мощность) на литр, и эти цифры увеличиваются с каждой новой линейкой двигателей. Эти изменения создают более суровую среду для смазочного материала. Более высокая удельная мощность означает увеличение давления и температуры в цилиндрах, а также увеличение сил, действующих на более мелкие подшипники. Температура турбин в небольших двигателях с турбонаддувом может достигать более 1000 ° C, а использование жидкостного охлаждения турбонагнетателя требует затрат и конструктивных требований.
6.7. Сравнение удельной мощности, PFI и TGDI.
Очевидно, что ездовой цикл влияет на срок службы турбокомпрессора. Режим работы, который оказался особенно суровым, включает в себя движение по высокоскоростной автомагистрали / автобану с периодическими остановками. На высоких оборотах и мощности турбокомпрессор тяжело работает и сильно нагревается. Температура выхлопной турбины может превышать 1000 ° C. Когда автомобиль останавливается, воздействие тепла на турбокомпрессор является предельным испытанием для смазки в нем.Окисление смазки в таких условиях может привести к образованию значительных отложений на валу турбокомпрессора и в зоне подшипника, что в конечном итоге приведет к заклиниванию подшипника. На рис. 6.8 показаны два примера, демонстрирующие улучшение, которое возможно при использовании более качественной смазки.
6.8. Отложения на валу / подшипниках турбокомпрессора, двигатель TGDI.
Если отложения турбонагнетателя не причинят значительного вреда самому турбонагнетателю, они все равно могут вызвать повреждение в другом месте двигателя. На фотографиях на рис. 6.9 показаны отложения, извлеченные из маслозаборной трубы бензинового двигателя с турбонаддувом.Мелкие твердые частицы характерны для более жесткой окислительной среды в зоне подшипников турбонагнетателя. Было замечено, что они блокируют масляный фильтр и вызывают отложения шлама. Как видно из «осадка», обнаруженного в всасывающей трубе, они могут серьезно ограничить подачу масла к масляному насосу двигателя. Также часто наблюдается увеличение отложений шлама в «традиционных» областях, таких как поддон и дека головки блока цилиндров.
6.9. Масляные отложения до и после промывки растворителем.
Дополнительную иллюстрацию относительной жесткости двигателей TGDI можно увидеть, когда вязкость масла отслеживается в ходе испытания на динамометрическом стенде двигателя, как показано на рис. 6.10. Испытания проводились с использованием того же топлива и масла для двигателей PFI и TGDI. Форма кривой вязкости характерна. Сначала происходит некоторое сдвиговое усилие, а затем масло имеет период относительно стабильной вязкости. В период между 160 и 220 часами вязкость масла в двигателе PFI начинает снижаться, поскольку окисление действительно начинает удерживаться.В конце испытания при разборке двигателя обнаруживается шлам и более твердые отложения в критических областях двигателя. Двигатель TGDI был запущен в немного другом испытательном цикле, более подходящем для этого типа двигателя. Однако степень тяжести цикла считается аналогичной таковой для двигателя PFI. Очевидно, что окисление происходит гораздо более агрессивно, и снижение вязкости происходит намного раньше. Эквивалентное расстояние по дороге может иметь катастрофические последствия для состояния масла и, следовательно, двигателя.Ситуацию можно значительно улучшить, используя улучшенные составы, включая более устойчивые к окислению базовые компоненты и более надежные пакеты присадок.
6.10. Динамометрические испытания двигателей PFI и TGDI.
Когда топливо впрыскивается во впускной канал, оно успевает полностью испариться и не приводит к значительному разбавлению топлива. Однако GDI означает, что в цилиндр под высоким давлением впрыскивается тонкая струя топлива. Достигнуты точный контроль и тонкое распыление, но неизбежно повышенная тенденция распыления топлива на прямой контакт со стенками цилиндра, увеличивая количество топлива, попадающего в картер, чтобы разбавить масло.Отложения на форсунках могут повлиять на точность формы распыления, еще больше увеличивая тенденцию попадания топлива в масло. Очевидным эффектом такого разбавления топлива является разжижение масла, что является серьезной проблемой, учитывая более высокую нагрузку на подшипник, вызванную более высоким крутящим моментом и более узкими шейками. По этой причине производители оригинального оборудования часто неохотно снижают вязкость моторного масла, а стремление улучшить экономию топлива ставится под угрозу, чтобы сохранить долговечность двигателя.Состав топлива в сочетании с типом работы в значительной степени влияет на то, сколько его остается в масле и какое влияние оно оказывает на смазочный материал.
Проблемы, создаваемые этими двигателями, были хорошо описаны Дэниелом Каппом, директором Ford по исследованиям силовых агрегатов (Kapp, 2010). В мае 2010 года он обратился к Североамериканскому обществу трибологов и инженеров по смазочным материалам и подчеркнул проблемы, которые эти двигатели (названные Ford EcoBoost ™) создают для смазочного материала.«Смазочные материалы могут по-прежнему играть очень важную роль, но, возможно, некоторые проблемы будут немного другими», — заметил он. Если мы просто посмотрим на EcoBoosting, мы определенно увидим более высокие рабочие температуры и гораздо более высокие удельные нагрузки. Итак, представьте теперь очень маленькие двигатели, работающие при очень высоких температурах сгорания ». Далее он упомянул такие проблемы, как высокое разбавление топлива и высокие удельные нагрузки. В январе 2012 года компания Ford of Europe представила двигатель EcoBoost ™ объемом 1 литр, который заменяет двигатели PFI до 1.6 литров. Это типичная тенденция в этой сфере. Максимальная температура выхлопных газов составляет 1050 ° C, а выходная мощность превышает 120 л.с. В статье журнала Automotive Engineer за январь 2012 г. (2012 г.) приводятся дополнительные сведения. Другие производители оригинального оборудования следуют очень похожей стратегии, стремясь снизить расход топлива и CO 2 . Понятно, что им потребуется масло лучшего качества, чем их предшественники.
ДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬ
ДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬДВИГАТЕЛЬ И ДВИГАТЕЛЬ Фред Лэндис
Автономные устройства, преобразующие электрические, химические, или ядерная энергия в механическую энергию называются двигателями и двигатели.Во многих регионах мира они заменили людей и сила животных, обеспечивающая энергией для транспортировки и вождения всевозможные машины. Химическая энергия топлива может быть преобразована путем сгорания в тепловую или тепловую энергию в тепловом двигателе. Двигатель, в свою очередь, преобразует тепловую энергию в механическую. энергия, как в двигателях с приводными валами. Когда происходит возгорание в той же единице, которая производит механическую энергию, устройство называется двигателем внутреннего сгорания.Автомобильный бензин или дизельные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания. Паровой двигатель, с другой стороны, это двигатель внешнего сгорания котел отдельно от двигателя. Электродвигатели преобразуют электрические энергия в механическую энергию.
Тепловые двигатели
Термин тепловой двигатель включает все двигатели, производящие работа или передача энергии, работая между высокими и низкие температуры и часто между высоким и низким давлением также.Самыми распространенными тепловыми двигателями являются двигатели внутреннего сгорания. двигатели, особенно бензиновые.
Бензиновые двигатели работают на смесь воздуха и паров бензина, которая обычно втягивается в поршневой механизм и сжатый поршнем. Как объем камеры уменьшается, давление и температура внутри него увеличиваются. Вблизи точки максимального сжатия пар горючего воспламеняется от искры. Горячие газы расширяются и заставляют поршень вниз в так называемом рабочем ходе, обеспечивая работать через шток поршня к коленчатому валу.Остаточные газы затем изгоняются, и процесс повторяется.
В обычно используемом четырехтактном двигателе компрессия и процесс расширения происходит за один оборот коленчатого вала. Первый ход называется тактом впуска, второй — тактом сжатия. Инсульт. Во время второго оборота следует рабочий ход. тактом выпуска, когда отработанные газы выбрасываются. потом всасывается смесь свежего воздуха и паров бензина. В двухтактных двигателях выхлоп происходит в конце рабочего такта, в то время как свежая воздушно-бензиновая смесь вводится вначале такта сжатия.Большинство двухтактных двигателей ограничены к небольшим двигателям, таким как те, которые используются в газонокосилках и некоторых небольших мотоциклы. Двигатели инжекторного типа впрыскивают бензин в виде штрафа распылите непосредственно перед горением. Другой тип бензинового двигателя — это вращающийся двигатель Ванкеля. Он состоит из треугольного ротора. в почти эллиптическом корпусе. Формируются воздушные камеры в форме полумесяца между ротором и корпусом служат камеры сгорания.
Дизельные двигатели первоначально сжимать воздух до гораздо более высокого давления и температуры, чем бензиновые двигатели.Затем впрыскивается топливо и зажигается без Искра. Требуемое более высокое давление делает дизельные двигатели тяжелее. и дороже бензиновых двигателей; однако они обычно более эффективным. Они используются в основном в автобусах, грузовиках, локомотивах, и на некоторых электростанциях.
Газотурбинные двигатели использовать роторный компрессор для сжатия непрерывного потока входящего воздух, тем самым повышая температуру воздуха. Затем воздух проходит через камеру сгорания, куда впрыскивается и сжигается топливо.Газ, находящийся под высоким давлением и температурой, расширяется. через турбину, обеспечивая мощность для привода компрессора. На выходе из турбины газы все еще имеют температуру и давление. выше наружного воздуха. В авиационном реактивном двигателе оставшиеся газ расширяется через сопло, образуя высокоскоростную струю, которая создает тягу для приведения в движение самолета. В качестве альтернативы газ, выходящий из первой турбины, может быть расширен через вторую турбина, которая затем может приводить в действие электрогенератор или, в корпус реактивного двигателя, воздушный винт.Газотурбинные двигатели менее эффективны, чем дизели, но могут производить больше мощности для заданного размера. Таким образом, они часто используются для резервного питания от электрических коммунальные услуги.
Ракетные двигатели используют два химические вещества, которые при соединении выделяют химическую энергию, которая увеличивает температура и давление в ракетной камере. Горячие газы затем позволяют расширяться через сопло для создания тяги. Топливо может быть жидким или твердым. Потому что ракетные двигатели могут работать вне атмосферы Земли, они являются двигательными установками используется в космических кораблях.
Двигатели паровые двигатели внешнего сгорания двигатели, которые сжигают топливо в отдельном котле для производства пара на высокое давление и температура. Затем пар расширяется возвратно-поступательно. двигатель или турбина. Пар низкого давления обычно конденсируется. поливать перед закачкой обратно в бойлер. В паре локомотив, однако, расширенный пар сдувается.
Паровые двигатели медленные, тяжелые, неэффективные и сегодня используются редко.Вместо этого современные крупные паровые электростанции использовать паровые турбины, которые могут работать при гораздо более высоких температурах и давления и может обрабатывать больше пара. Паровые турбины могут поставлять больше мощности, чем у больших дизелей, при меньших затратах.
Ионные двигатели предлагается к космическому полету. Их источником топлива было бы легко ионизируемое вещество, такое как металлический цезий, для доставки ионов или заряженные частицы. Генератор или солнечные батареи произведут электрическое поле, которое достаточно сильно отталкивает ионы выбрасывать их из двигателя, создавая тягу.Такой двигатели будут производить очень маленькую тягу, но они должны быть в состоянии работать в течение длительного времени в межзвездном полете.
Электродвигатели
Электродвигатели состоят из двух механических частей: статор, или неподвижная часть, и ротор, или вращающаяся часть, и два набора электрических обмоток возбуждения и якоря. Электромагнитный поля, создаваемые в воздушном зазоре между статором и ротором взаимодействуют друг с другом и создают крутящий момент или крутящую силу, который вращает мотор.Выходная мощность является продуктом крутящий момент и скорость вращения. Двигатель классифицируется как двигатель постоянного тока (прямой ток) или AC (переменный ток), в зависимости от источника питания.
Асинхронные двигатели наиболее широко применяемые двигатели переменного тока. Обмотка возбуждения обычно намотана в прорези, расположенные вокруг железного статора для образования магнитных полюсов. В обмотках статора создается вращающееся электрическое поле. наводит токи в обмотках ротора.Взаимодействие между эти два поля создают крутящий момент для вращения двигателя. Мотора скорость меняется в зависимости от нагрузки.
Синхронные двигатели работают с фиксированной скоростью независимо от нагрузки. Однофазный гистерезис двигатели используются в небольших устройствах с постоянной скоростью, таких как электрические часы и фонографы. Обмотки статора соответствуют обмоткам Индукционный двигатель. Источник поля предоставляется либо прямым током или постоянным магнитом.
Двигатели постоянного тока обеспечивают крутящий момент
и управление скоростью по более низкой цене, чем блоки переменного тока, и механически
более сложный. Обмотка полюсного поля на статоре состоит из
магнитных полюсов, каждый из которых имеет множество витков, по которым проходит небольшой ток.
Обмотка якоря размещается на роторе концами каждой
катушка подключена к противоположным стержням. По мере вращения ротора удельный
катушка, по которой течет ток, изменяется, но ее расположение относительно
стационарное поле остается фиксированным.
Источник: Интерактивная энциклопедия Комптона.
Девять стран заявили, что запретят двигатели внутреннего сгорания — Quartz
Двигатель внутреннего сгорания, похоже, находится на своем последнем этапе. За последние несколько лет более девяти стран и десятка городов или штатов объявили о том, что СМИ назвали «запретами». Мэр Копенгагена Фрэнк Дженсен хочет, чтобы в городе прекратили выпуск новых дизельных автомобилей, начиная со следующего года. В декабре прошлого года Париж, Мадрид, Афины и Мехико заявили, что к 2025 году откажутся от дизельных автомобилей и фургонов.Норвегия откажется от обычных автомобилей к 2025 году, за ней следуют Франция и Великобритания в 2040 и 2050 годах соответственно.
Тем не менее, несмотря на все эти обязательства, ни одна страна не приняла закон, запрещающий что-либо. «Буквально нет ни одного запрета на книги в нормативной лексике, который мог бы применяться на любом автомобильном рынке в мире», — сказал по телефону Ник Лютси, директор Международного совета по чистому транспорту (ICCT). Это не делает их бессмысленными. Политики, большинство из которых уйдут с поста к моменту вступления в силу каких-либо запретов, не могут связать своим преемникам руки на десятилетия вперед.Например, президент США Трамп уже пытается лишить Калифорнии полномочий в соответствии с Законом о чистом воздухе устанавливать свои собственные стандарты загрязнения и требования к электромобилям. В случае успеха Трамп отменит законопроекты, подобные предложенному в прошлом году законодательным собранием штата о прекращении производства и регистрации новых бензиновых автомобилей в Калифорнии к 2040 году.
Но риторика призывает автопроизводителей подготовиться, как только технология будет готова. «Эти правительства сигнализируют миру, что им необходимо перейти на автомобили с нулевым уровнем выбросов, чтобы достичь своих целей в области климата и качества воздуха», — говорит он.«Все их модели [выбросов] говорят об одном и том же: они не могут достичь своих целей в области климата и выбросов в кратчайшие сроки без транспортных средств с нулевым уровнем выбросов».
Даже без конкретных законов страны полагаются на кнут и пряник. Большинство так называемых «запретов» на двигатели внутреннего сгорания на самом деле являются ограничениями на продажу новых автомобилей с дизельным двигателем, наряду с финансовыми стимулами или штрафами для ускорения продаж электромобилей и транспортных средств на альтернативном топливе в ближайшие годы. Европейские страны проводят самую агрессивную политику, чтобы склонить чашу весов против бензина и дизельного топлива.Норвегия, где в 2017 году 52% продаж новых автомобилей приходилось на электрические, дарит покупателям электромобилей тысячи долларов в виде льгот, таких как бесплатная или субсидируемая парковка, дорожные сборы и зарядка, а также щедрые налоговые льготы. В Великобритании, где покупатели также получают налоговые льготы на экологически чистые автомобили, Лондон расширяет «зону сверхнизких выбросов», вводя ежедневную плату в размере 12,50 фунтов стерлингов (16,39 долларов США) за автомобили, которые считаются слишком загрязняющими (обычно это обычные автомобили, зарегистрированные после 2005 года). Эти стандарты вступят в силу в апреле следующего года и со временем будут ужесточаться.
В другом месте заявления, в лучшем случае, обнадеживающие, сказал Лютси. Большинство из них сводятся к «цитатам, цитатам из служителей, ответам на вопросы СМИ после выступлений и общей публикации в Интернете», — сказал он. Задача Индии по выпуску полностью электрических транспортных средств к 2030 году зависит от снижения затрат. Китай просто начал «соответствующие исследования» для определения графика поэтапного отказа от двигателей внутреннего сгорания. Даже канцлер Германии Ангела Меркель, которая назвала постепенный отказ Великобритании и Франции от автомобилей, работающих на ископаемом топливе, к 2040 году «правильным подходом», отказалась назвать дату.
Эффект распространяется на автомобильную промышленность, несмотря на это. За последние два года автопроизводители поспешили развернуть планы по электрификации своих автомобилей. Daimler потратит 11,7 миллиарда долларов на строительство 10 полностью электрических и 40 гибридных моделей с планами электрифицировать всю свою линейку, сообщает Reuters. Volkswagen AG планирует электрифицировать около 300 своих моделей к 2030 году. Ford заявляет, что делает ставку на электромобили, а GM добавляет еще две электрические модели наряду с Chevy Bolt, в конечном итоге полностью отказавшись от двигателя внутреннего сгорания.Китайская компания Volvo выпускает электрические модели только с 2019 года.
Тем не менее, пройдут десятилетия, прежде чем эти новые автомобили смогут вытеснить свои традиционные аналоги. Автопроизводители должны проектировать новые автомобили, расчищать существующие запасы и ждать, пока автопарк обновится, пока водители обменивают старые автомобили (в США это около 11 лет). По оценке FleetCarma, на то, чтобы соответствовать новому закону, требуется около 18 лет, чтобы всего половина автомобилей на дорогах соответствовала требованиям. Поскольку средний автомобиль дольше находится в обращении, автомобили, покупаемые сегодня, легко столкнутся с предлагаемыми запретами в некоторых странах.
Отвращение политиков к двигателям внутреннего сгорания, возможно, уже снижает рыночную долю дизельных автомобилей и их стоимость при перепродаже. Хотя мошенничество Volkswagen с загрязнением является одним из факторов, запрет на дизельное топливо, похоже, дает эффект. ICCT сообщает, что доля новых регистраций дизельного топлива упала на 8% с 2015 года во Франции, Германии, Италии, Испании и Великобритании. В Великобритании и Германии дизельные автомобили потеряли от 6% до 17% от своей стоимости при перепродаже в первой половине 2017 года. Многие ожидают, что тот же сценарий вскоре поразит и бензиновые автомобили.
Изменения в городах и таких странах, как Норвегия, будут происходить относительно быстро, но глобальная траектория будет медленной и устойчивой. Не раньше 2025 года или около того средняя стоимость электромобиля упадет ниже, чем у бензинового или дизельного автомобиля (в большинстве случаев уже намного дешевле эксплуатировать электромобиль). Однако когда это произойдет, политики смогут свободно принимать законы, которые они обещали, когда будет готова доступная технология для замены двигателей внутреннего сгорания.
Quartz рассмотрел все объявления, ограничивающие использование автомобилей с двигателями внутреннего сгорания по всему миру.Ни одно из них не означало юридических запретов, но большинство из них устанавливали цели и сроки поэтапного отказа от дизельных, а затем и бензиновых двигателей в период с 2025 по 2050 год. Сводка каждого объявления приводится ниже.
| Юрисдикция | Что ограничено? | Источник |
|---|---|---|
| Копенгаген, Дания | Запрет новых дизельных автомобилей въезд в столицу Дании | Мэр Копенгагена заявил в прошлом году, что он введет закон, запрещающий дизельные автомобили, зарегистрированные после 2018 года.«Это не право человека — загрязнять воздух для других. Вот почему необходимо постепенно отказываться от дизельных автомобилей », — сказал он датской газете Politiken |
| Рим, Италия | Запретить дизельные автомобили из центра города к 2024 году | Мэр Вирджиния Рагги объявил о плане запретить дизельные автомобили в центре города к 2024 году. «Если мы хотим серьезно вмешаться, мы должны набраться смелости и принять решительные меры», — написала она 27 февраля на своей странице в Facebook. |
| Норвегия | Целевой показатель по прекращению продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем к 2025 году | В 2016 году норвежские политики согласились с амбициозной целью поэтапного отказа от всех обычных автомобилей: «Существует договоренность о нулевом объеме новых ископаемых видов топлива. Топливные автомобили проданы с 2025 года.Нет прямого запрета, но требуются решительные действия », — написал в Твиттере тогдашний министр окружающей среды и изменения климата Норвегии Видар Хельгесен в 2016 году. Сегодня почти 40% всех проданных в Норвегии автомобилей — электрические или гибридные. |
| Афины, Париж, Мадрид, Мехико | Конечное использование всех дизельных автомобилей к 2025 году | На конференции 2016 года руководители города обязались «прекратить использование всех дизельных автомобилей и грузовиков к середине следующее десятилетие »и стимулировать электромобили, водородные и гибридные автомобили. |
| Париж | Запрет на дизельное топливо в городе к 2025 году. Запрет на все автомобили внутреннего сгорания к 2030 году. | Париж пообещал запретить дизельные двигатели к 2025 году и постепенно отказаться от всех автомобилей с двигателями внутреннего сгорания к 2030 году. — сказал Кристоф Найдовски, глава Парижской транспортной политики в октябре 2017 года, — сказал Кристоф Найдовски, руководитель отдела транспортной политики Парижа. «Транспорт — один из основных производителей парниковых газов… поэтому мы планируем отказаться от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, или транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, к 2030 году. |
| Индия | К 2030 году не будет новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем (если экономически выгодно) | В 2017 году правительство Индии заявило, что «к 2030 году все автомобили, продаваемые в Индии, могут быть электрическими». План энергетического ведомства будет зависеть от того, насколько сильно упадут затраты на электромобили, чтобы сделать его экономичным. |
| Ирландия | Никаких новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем к 2030 году | Страна запретит продажу всех автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем к 2030 году.Такие города, как Дублин, обязаны покупать электрические автобусы только после 2018 года. |
| Израиль | Запретить ввоз всех автомобилей с бензиновым и дизельным топливом к 2030 году. Разрешен только природный газ и электромобили. | Министр энергетики Юваль Стейниц заявил на конференции в феврале прошлого года, что «с 2030 года Государство Израиль будет создавать альтернативы и больше не будет разрешать импорт автомобилей, работающих на бензине и дизельном топливе. … Мы намерены достичь ситуации, при которой промышленность Израиля будет основана на природном газе, и, что наиболее важно, транспортировка в Израиле будет основываться на природном газе или электричестве.” |
| Брюссель, Бельгия | Запрет дизельного топлива в бельгийской столице к 2030 году | Правительство Брюсселя согласилось ввести запрет на дизельное топливо в столице Бельгии к 2030 году. Ограничения на бензиновые автомобили рассматриваются. |
| Нидерланды | Все автомобили без выбросов к 2030 году | В октябре 2017 года в соглашении голландской парламентской коалиции говорилось, что «цель состоит в том, чтобы к 2030 году все новые автомобили не имели выбросов. автомобили будут приведены в соответствие с этими амбициями.(Стр. 39, документ на голландском языке) |
| Франция | К 2030 году не будут продаваться новые бензиновые или дизельные автомобили | Климатический план правительства Франции на 2017 год обещает «вывести с рынка автомобили с выбросами парниковых газов к 2040 году: остановка продажи бензиновых или дизельных автомобилей будут стимулировать производителей автомобилей к инновациям и лидерству на этом рынке ». |
| Соединенное Королевство | К 2040 году не будет продажи обычных бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов. Снизить до нуля национальные выбросы транспортных средств к 2050 году. | Правительство Великобритании обязалось прекратить продажи новых обычных бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов к 2040 году. Вместо полного запрета бензиновых и дизельных транспортных средств оно заявляет (платный доступ), что «большинство» новых автомобилей и фургонов, проданных к 2040 году, должно быть нулевым. выбросы, и все они должны иметь «способность» к нулевым выбросам (например, гибриды). К 2050 году Великобритания заявляет, что сократит выбросы от транспортных средств практически до нуля к 2050 году, а к 2050 году «почти все автомобили и фургоны» будут без выбросов. Парламент Шотландии объявил о более амбициозных планах по отказу от бензиновых и дизельных автомобилей к 2032 году. |
| Тайвань | Никаких новых неэлектрических мотоциклов к 2035 году и четырехколесных транспортных средств к 2040 году | План Управления по охране окружающей среды страны запретит продажу всех неэлектрических мотоциклов и четырехколесных транспортных средств к 2035 и 2040 годам соответственно. |
| Китай | Дата прекращения использования двигателей внутреннего сгорания не указана | Китай разрабатывает долгосрочный план по поэтапному отказу от двигателей внутреннего сгорания, сообщил Синь Гобинь, правительственный чиновник из Министерства промышленности и информационных технологий.«Некоторые страны установили график, когда прекратить производство и продажу традиционных топливных автомобилей», — сказал он китайским государственным СМИ в сентябре прошлого года, отметив, что министерство начало «соответствующее исследование», чтобы завершить график. «Эти меры, безусловно, внесут глубокие изменения в развитие нашей автомобильной промышленности». Эксперты ожидают (платный доступ), что страна введет запрет на поэтапный отказ от выбросов парниковых газов, как ожидается, около 2030 года. |
| Германия | Ожидается запрет на продажу новых дизельных автомобилей.Рассмотрение запрета на все двигатели внутреннего сгорания к 2040 году по аналогии с Великобританией и Францией. | Германия не установила сроки, но канцлер Ангела Меркель заявила в августе 2017 года, что страна должна в конечном итоге присоединиться к другим европейским странам, запрещающим новые дизельные автомобили ». Она назвала планы Великобритании и Франции по поэтапному отказу от автомобилей, работающих на ископаемом топливе, к 2040 году «правильным подходом», добавив: «Я не хочу называть точный год». Немецкие города уже настаивают на введении собственных запретов на дизельное топливо. |
| Штаты США: Калифорния, Коннектикут, Мэриленд, Массачусетс, Нью-Йорк, Орегон, Род-Айленд и Вермонт.Канадские провинции: Квебек | Снизить до нуля выбросы от транспортных средств в стране к 2050 году. | «Мы будем стремиться к тому, чтобы все продажи легковых автомобилей в нашей юрисдикции проходили как можно быстрее и не позднее 2050 года». |
Результаты моторных испытаний экспериментального бензинового двигателя внутреннего сгорания
BIO Web of Conferences 17 , 00078 (2020)Результаты испытаний экспериментального бензинового двигателя внутреннего сгорания
Дмитрий Марьин, Андрей Глущенко, Антон Хохлов, Евгений Прошкин и Раиль Мустякимов
Ульяновский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Ульяновск, 432017, Россия
* Автор для переписки: [email protected]
Аннотация
Для улучшения энергетических, топливных и экономических характеристик бензинового двигателя внутреннего сгорания предложено улучшить изоляционные свойства поршня за счет формирования теплоизоляционного покрытия на рабочих поверхностях головки поршня толщиной 25 мм. .,30 мкм методом микродугового окисления. Проведены сравнительные результаты испытаний двигателей, которые показали, что двигатель, оснащенный поршнями с теплоизоляционным покрытием на рабочих поверхностях головки, увеличивает мощность в 5 раз.3% и снижает почасовой расход топлива на 5,7% по сравнению с двигателем, оснащенным стандартными поршнями.
© Авторы, опубликовано EDP Sciences, 2020
Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License 4.0, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.
1 Введение
Современное состояние развития современного двигателестроения характеризуется тем, что особое внимание конструкторы уделяют форсированному протеканию газодинамических, тепловых, силовых и прочностных режимов работы двигателя.В свою очередь, эти режимы сопровождаются дальнейшим увеличением тепловой плотности основных компонентов, образующих камеру сгорания, что вызвано изменением протекания рабочего процесса и характеристик двигателя. Одной из наиболее нагруженных частей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ) является поршень, который подвергается высоким механическим и термическим нагрузкам [1]. Перегрев поршня приводит к преждевременному износу трущихся поверхностей, заеданию поршневых колец и их выходу из строя, заклиниванию поршней, выгоранию головки поршня и т. Д.
Установлено, что в двигателестроительной практике используются различные методы снижения термического напряжения поршней ДВС.
Основными недостатками этих методов являются изменение геометрических параметров, сложность их конструкции и системы охлаждения двигателя, увеличение веса и, как следствие, снижение долговечности и надежности и т. Д.
Современные технологии могут обеспечить защиту деталей двигателя, подверженных термическому напряжению, особенно поршней, за счет использования конструкционных покрытий или специальных изоляционных материалов.Основная идея такого покрытия — отразить тепловую энергию обратно в камеру сгорания, что должно предотвратить перегрев поршня.
Оснащение дизельного двигателя поршнями с теплоизоляционным керамическим покрытием толщиной 0,2–0,9 мм позволяет снизить эффективный расход топлива на 6–8 г / (кВт · ч) за счет снижения теплопотерь и более полного сгорания топлива. топливо, по сравнению с двигателем, оснащенным стандартными поршнями [2].
Экспериментальные исследования на дизельном двигателе 1ЧН18 / 20 с алюминиевыми поршнями, покрытыми глиноземом (0.25–0,3) -10 −3 толщиной м, показывают, что эффективный расход топлива на номинальном режиме снижается на 2,7 г / (кВт · ч), а на дизельном двигателе 2ЧН21 / 21 при n = 1200 мин −1 и 9 верх = 36–38 °, эффективный расход топлива снижается на 5,44 г / (кВт · ч) [3].
Применение теплоизоляционных покрытий из оксида алюминия толщиной (0,2–0,25) -10 −3 м на поршнях тихоходного дизельного двигателя 1Ч 24/36 корабля с объемным смесеобразованием вызвало снижение в эффективном расходе топлива при нагрузках менее 45% от эффективной мощности двигателя на 2.5–13 г / (кВтч) [3].
Известно, что для тепловой защиты рабочих поверхностей верхней части поршня и ГБЦ двухтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) использовались поршни и головки цилиндров с теплоизолирующим оксидно-керамическим покрытием толщиной 0,06 мм. Это позволило снизить теплоотвод с рабочих поверхностей деталей, снизить удельный расход топлива на 3,2% и увеличить максимальную мощность двигателя на 6% [4].
В результате испытаний дизельного двигателя Д-240Л установлено, что двигатель с поршнями с теплоизоляционным корундовым покрытием может увеличить мощность в 8 раз.6% и снизить удельный расход топлива на 6,6% по сравнению с двигателем со стандартными поршнями.
В результате стендовых испытаний дизельного двигателя Д65НТ1, оснащенного поршнями со слоем корунда и тефлоновым покрытием поверхностей трения, установлено снижение расхода топлива на 5,1%, увеличение развиваемой мощности с 44,72 кВт до 46,7 кВт, т.е. на 4,4%. Это произошло за счет снижения общих тепловых и механических потерь на внутреннее трение. Произошло снижение дымности выхлопных газов с 46 до 30% [5].
Таким образом, теплоизоляционные покрытия, образующиеся на рабочих поверхностях поршня, значительно улучшают характеристики дизеля. Понижаются «жесткость» процесса сгорания и максимальное давление при сгорании, что приводит к снижению шума, вибрации дизельного двигателя и токсичности выхлопных газов. Увеличение скорости сгорания в основной фазе сгорания увеличивает полноту сгорания и обеспечивает более экономичную работу.
Однако использование теплоизоляционных покрытий не нашло дальнейшего применения для улучшения изоляционных свойств поршня, энергетических, топливных и экономических показателей двигателя, поскольку в процессе эксплуатации эти покрытия имеют два существенных недостатка: низкая адгезионная прочность. на поршневых сплавах и низкой жаропрочности.
2 Материалы и методы исследования
В последние годы одним из эффективных методов формирования теплоизоляционных покрытий является микродуговое оксидирование (МДО) [6], которое позволяет создавать поверхностные покрытия, обладающие совершенно новыми теплопроводными свойствами, чем основной материал детали, при этом геометрические параметры и вес заготовки не меняются.
На основании полученных результатов изготовлены опытные комплекты поршней с теплоизоляционным покрытием на рабочих поверхностях головок поршней при следующих режимах микродугового окисления: концентрация ортофосфорной кислоты в водном растворе 180 г / л; плотность электрического тока — 4 А / дм 2 , напряжение, подводимое к головке поршня — 250 В, температура электролита — 25 ° С, время окисления — 60 минут (рисунок 1) [7].
Анализ толщины, пористости, структуры и элементного состава теплоизоляционного покрытия металлографического образца экспериментального фрагмента поршня проводился с использованием сканирующей электронной микроскопии с рентгеновским микроанализом. В исследованиях использовался комплексный блок, состоящий из автоэмиссионного сканирующего микроскопа высокого разрешения Zeiss SUPRA 55VP в комплекте с энергодисперсионным спектрометром Inca Energy 350, волновым спектрометром Inca Wave 500 и системой HKL EBSD Premium для дифракции отраженных электронов.
Металлографический образец представлял собой фрагмент экспериментального поршня из алюминиевого сплава толщиной около 2 мм (рис. 2). Исследуемый образец помещался в вакуумную камеру микроскопа. Элементный анализ теплоизоляционного покрытия проводился по четырем маршрутам. Все трассы имели длину 100 г от внешней поверхности поршня и состояли из 10 уровней с шагом 10 г (первый уровень наиболее близок к поверхности). Для получения изображения топографического контраста образец тщательно промывали растворителем и обезжиривали методом ультразвуковой очистки в ультразвуковой ванне УЗВ-15М во избежание загрязнения углеводородом.
В результате проведенного исследования структуры и элементного состава экспериментального фрагмента поршня установлено, что теплоизоляционное покрытие имеет хорошее сцепление с основным материалом алюминиевого сплава. Рельеф четкий, неоднородный по своему составу, в зоне контакта «основной материал — теплоизоляционное покрытие» отсутствуют трещины и изломы. Отчетливо прослеживается взаимопроникновение окисленного слоя в основной материал. Толщина окисленного слоя 24…31 мкм, пористость 10 … 11% [8].
Окисленный слой, образовавшийся на поверхности фрагмента образца экспериментального поршня, представляет собой оксид металла. По результатам нормированного на 100% элементного состава в атомных концентрациях с учетом всех зарегистрированных элементов установлено, что основными элементами исследуемого материала являются кремний, алюминий и кислород. Содержание кислорода в окисленном слое по маршруту 1 увеличилось на 18,9%, по маршруту 2 — на 10,3%, по маршруту 3 и 4 соответственно, на 15 и 12.7% по сравнению со стандартным поршнем, что свидетельствует об образовании корунда (Al2O3) в окисленном слое (рис. 3).
Для сравнительной оценки энергетических, топливно-экономических и экологических показателей двигателей в штатном (поршневые типовые) и экспериментальном (поршни с изоляционным покрытием) конфигурациях проведены испытания двигателей по ГОСТ 14846–81 на МЭЗ-Всетин 926. Стенд для испытания тормозов –4 / V со стандартным оборудованием (рис. 4).
Показатели эффективности двигателя в двигательных испытаниях определялись по скоростным и нагрузочным характеристикам.Показатели нагрузочной характеристики двигателя определялись при частоте вращения коленчатого вала 2200 мин-1, так как эта частота соответствует максимальному крутящему моменту по внешней частотной характеристике двигателя ЮМЗ-421 и рекомендована заводом-изготовителем при приеме показания точек измерения.
Скоростные и нагрузочные характеристики двигателя сняты после 35-часовой обкатки в нагрузочно-частотном и температурном режимах.
Все системы и механизмы двигателя были предварительно проверены и отрегулированы согласно инструкции по эксплуатации автомобилей семейства УАЗ.
| Рис. 1. Общий вид комплекта поршней с теплоизоляционным покрытием рабочих поверхностей головок. |
| Рис. 2. Металлографический образец фрагмента поршня: а) макроснимок образца с указанием маршрутов элементного анализа; б) изображение поверхностных слоев образца |
| Рис. 3. Структура поверхностного слоя окисленных рабочих поверхностей поршневых головок |
| Инжир.4. Конструктивная схема тормозного стенда: 1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — стенд для испытания двигателей; 3 — балансирный динамометр; 4 — глушитель; 5 — выхлопная система; 6 — газоанализатор; 7 — ресивер для воздуха; 8 — пульт управления; 9 — панель приборов от датчиков на двигателе; 10 — топливный бак; 11- прибор для измерения расхода топлива; 12 — муфта двигателя с подставкой; 13 — воздушный фильтр; 14 — система водяного охлаждения; 15 — указатель температуры системы охлаждения двигателя; 16 — манометр моторного масла; 17 — электронный тахометр |
3 Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенных испытаний двигателя быстроходный (рис.5) и нагрузочные (рис. 6) характеристики двигателей в штатной и опытной конфигурациях.
Анализ скоростных характеристик двигателя показывает, что во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала происходит увеличение полезной мощности двигателя ( N e ) с поршнями с теплоизолированным покрытием.
Максимальная эффективная мощность двигателя (при частоте вращения коленчатого вала 4200 мин −1 ), оснащенного поршнем с теплоизолирующим покрытием (рис.5), составила 77.5 кВт, что на 5,3% больше по сравнению с мощностью двигателя со стандартными поршнями (73,6 кВт). Удельный эффективный расход топлива ( г e ) на максимальной мощности (n = 2200 мин −1 ) двигателя, оснащенного поршнем с теплоизолирующим покрытием, снизился на 9,4% и составил 272,9 г / кВт, а для двигателя со стандартными поршнями — 301,2 г / кВт (рис. 5). Часовой расход топлива ( GT ) составил 23,1 кг / ч и 24.5 кг / ч соответственно (рисунок 5).
Максимальный крутящий момент (МТ) при частоте вращения 2200 мин. -1 составлял 217,4 Н · м для двигателя, оснащенного теплоизолированными поршнями, и 204,1 Н · м для двигателя, оснащенного стандартными поршнями (рис. 5).
Анализ полученных нагрузочных характеристик показывает (рис. 6), что в режиме максимальной нагрузки часовой расход топлива экспериментального двигателя номинальной мощностью 55 кВт составил 15,3 кг / ч, тогда как для штатного двигателя — 16.1 кг / ч.
Измерения содержания оксида углерода (CO) и гидрида углерода (CH) в выхлопных газах показали, что в двигателе, оснащенном теплоизолированными поршнями, по сравнению с двигателем, оснащенным стандартными поршнями, содержание CO снизилось в среднем на 13%. и CH на 9,3% (рисунок 6).
| Рис. 5. Скоростная характеристика штатного двигателя и экспериментального двигателя |
| Инжир.6. Нагрузочные характеристики стандартного двигателя и экспериментального двигателя |
4 Заключение
По результатам испытаний установлен следующий результат: использование поршней с теплоизоляционным покрытием на рабочих поверхностях головок в двигателе ЮМЗ-421 позволяет увеличить его полезную мощность на 5,3%, максимальный крутящий момент на 6,5%, снизив часовой и удельный эффективный расход топлива на 5,7 и 9,4% соответственно, содержание в выхлопных газах окиси углерода на 13% и углеводородов на 9.3% по сравнению с двигателем, оснащенным стандартными поршнями.
Список литературы
- Д.А. Сибриков, Снижение термических напряжений поршневых групп судовых дизелей: Дисс. Канд. Техн. Наук (Новосибирск, 2004). [Google Scholar]
- А.К. Костин, Б. Пугачев, Ю.Ю. Кочинёв, Характеристики дизельных двигателей в условиях эксплуатации (Ленинград, Машиностроение, 1989). [Google Scholar]
- Никитин М. Кулик, Н. Захаров, Теплоизоляционные и износостойкие покрытия деталей дизельных двигателей. Л .: Машиностроение, 1977. [Google Scholar]
- Н.М. Чигиринова, В.В. Чигиринов, В. Чигиринов, Оксидные керамические покрытия, эффективная теплозащита рабочих поверхностей деталей ЦПГ, Автомот. Промышленность, 6, 30–34 (2004) [Google Scholar]
- В.В. Шпаковский, О.Ю. Линьков, Анализ эффективности использования поршней со слоем корунда для снижения расхода топлива, Авиационно-космический инженер.и технологии, 10 (57), 140–144 (2008). [Google Scholar]
- Хохлов А. Уханов, А.А. Глущенко, Д. Марьин, В. Степанов, Влияние режимов микродугового окисления на формирование окисленного слоя, Бюл. Ульяновского государственного сельского хозяйства.Акад., 3 (23), 128–131 (2013) [Google Scholar]
- Хохлов А. Марин, А.А. Глущенко, Д.А. Уханов, Результаты теоретических и экспериментальных исследований термического напряжения поршня двигателя внутреннего сгорания с окисленным верхом поршня, Нива Поволжья, 2 (27), 100–106 (2013) [Google Scholar]
- Д.М. Марьин, А.Л. Хохлов, А.А. Глущенко, Структура и элементный состав окисленного слоя на верхушке и канавках поршня двигателя // Тр. X Int. Sci. Конф. «Новости передовой науки-2014», 56–60 (Byal Grad-BG Ltd., София, 2014). [Google Scholar]
Все рисунки
| Инжир.1. Общий вид комплекта поршней с теплоизоляционным покрытием рабочих поверхностей головок. | |
| По тексту | |
| Рис. 2. Металлографический образец фрагмента поршня: а) макроснимок образца с указанием маршрутов элементного анализа; б) изображение поверхностных слоев образца | |
| По тексту | |
| Инжир.3. Структура поверхностного слоя окисленных рабочих поверхностей поршневых головок | |
| По тексту | |
| Рис. 4. Конструктивная схема тормозного стенда: 1 — двигатель внутреннего сгорания; 2 — стенд для испытания двигателей; 3 — балансирный динамометр; 4 — глушитель; 5 — выхлопная система; 6 — газоанализатор; 7 — ресивер для воздуха; 8 — пульт управления; 9 — панель приборов от датчиков на двигателе; 10 — топливный бак; 11- прибор для измерения расхода топлива; 12 — муфта двигателя с подставкой; 13 — воздушный фильтр; 14 — система водяного охлаждения; 15 — указатель температуры системы охлаждения двигателя; 16 — манометр моторного масла; 17 — электронный тахометр | |
| По тексту | |
| Инжир.5. Скоростная характеристика стандартного двигателя и экспериментального двигателя | |
| По тексту | |
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Влияние добавки к бензину на характеристики сгорания и выбросы в двигателе с воспламенением от частичного сжатия н-бутанола при различных параметрах
Влияние коэффициента избытка воздуха
Этот тест предназначен для изучения влияния λ на характеристики сгорания и выбросов смесей н-бутанол / бензин с различными соотношениями компонентов.Во время испытания T в контролировалось при 120 ° C, n было установлено на 1200 об / мин, и время прямого впрыска топлива в цилиндр поддерживалось на уровне 20 ° CA после остановки впускного отверстия. центр. λ составляло 2,0, 2,5 и 3,0 соответственно.
Давление в цилиндре и HRR
На рисунке 2 показано влияние λ на давление в цилиндре и HRR четырех испытательных топлив B100, B90G10, B80G20 и B70G30. Видно, что с уменьшением λ , P max и HRR max постепенно увеличиваются.Это связано с тем, что по мере уменьшения λ концентрация смеси увеличивается, количество топлива в смеси единичного объема увеличивается, скорость химической реакции увеличивается, а тепловыделение увеличивается, вызывая увеличение P max и HRR макс. . При тех же λ , P max и HRR max четырех видов топлива сначала увеличиваются, а затем уменьшаются по мере увеличения отношения смеси бензина.Результаты чистого н-бутанола в эксперименте согласуются с предыдущими публикациями 2,23,34 . Когда T в составляет 120 ℃, λ составляет 2,5 и n составляет 1200 об / мин, давление в цилиндре и HRR B100 близки к результатам в справочных материалах 23 . Когда коэффициент добавления бензина в смеси составляет 10%, P max и HRR max достигают максимальных значений.Для B90G10 с λ изменяется от 3,0 до 2,0, P max увеличивается с 4,67 до 6,39 МПа и HRR max увеличивается с 0,077 кДж / ° CA до 0,175 кДж / ° CA. Из свойств топлива видно, что по сравнению с н-бутанолом бензин имеет более высокую теплотворную способность, меньшую вязкость и скрытую теплоту парообразования. После добавления небольшого количества бензина в н-бутанол улучшается качество распыления смеси и повышается теплотворная способность смеси.При том же T в приготовление горючей смеси более равномерное, что способствует ускорению скорости химической реакции, тепло, выделяющееся после окисления топлива, увеличивается, а давление в цилиндре быстро растет, поэтому P max и HRR max значительно увеличиваются. Активность н-бутанола выше, чем у бензина на стадии низкотемпературного окисления PPCI. На потребление н-бутанола в основном влияет ОН.В то же время ОН, образующийся при окислении н-бутанола, способствует окислению бензина 30 . Когда соотношение бензина в смеси превышает 10%, эффекты испарения и распыления смесей н-бутанол / бензин лучше, теплотворная способность смесей увеличивается, в то время как содержание н-бутанола в смесях в это время уменьшается, и уменьшение количества ОН, образующегося на стадии низкотемпературной реакции, не способствует окислению смесей, поэтому скорость реакции горения снижается и HRR замедляется, что вызывает P max и HRR max для уменьшения, и в то же время соответствующие угловые положения коленчатого вала перемещаются назад.Как можно видеть, точки подъема кривой HRR для четырех видов топлива при разных λ s в основном одинаковы, и три смеси не сильно отличаются от B100. Однако при трех различных λ s, P max и HRR max сгорания PPCI, работающего на н-бутаноле / бензине, больше, чем у B100, особенно B90G10. Определенная пропорция бензина, добавленная к н-бутанолу, может улучшить сгорание н-бутанола, но по мере увеличения отношения смеси бензина давление в цилиндре и HRR имеют тенденцию к снижению.
Рисунок 2Давление в цилиндре и HRR с разными λ с.
Температура в цилиндре
На рисунке 3 показано влияние λ на температуру в цилиндре четырех испытательных топлив. Можно видеть, что с уменьшением λ , T max из четырех видов топлива значительно увеличивается, положение угла поворота коленвала, соответствующее T max , немного сдвигается вперед, кривая температуры цилиндра постепенно становится круче.При той же концентрации смеси, с увеличением отношения смеси бензинов, T max для четырех видов топлива сначала увеличивается, а затем уменьшается. Когда коэффициент добавления бензина составляет 10%, T max увеличивается примерно на 390 K с λ изменяется с 3,0 до 2,0, и T max достигает максимального значения. Это происходит главным образом потому, что концентрация увеличивается по мере того, как λ уменьшается, количество топлива в единице объема увеличивается, и общее тепловыделение от сгорания обязательно увеличивается, вызывая увеличение T max .В то же время время подготовки реакции сокращается, тепловыделение цикла значительно увеличивается, а температура в цилиндре быстро растет, в результате чего положение угла поворота коленчатого вала, при котором T max немного опережает. Кроме того, при различных значениях λ с точка перегиба резкого повышения температуры в цилиндре B90G10 в определенной степени находится раньше, чем у трех других видов топлива. Когда λ составляет 2,0, 2,5 и 3,0, точка перегиба B90G10 соответствует углу поворота коленвала раньше, чем у B100, на 1.4 ° CA, 2,5 ° CA и 0,3 ° CA. Это связано с тем, что после добавления бензина к н-бутанолу теплотворная способность смеси увеличивается, качество распыления улучшается, подготовка горючей смеси более однородна, сгорание более полное, тепловыделение увеличивается и концентрируется, HRR max увеличивается, наконец, соответственно повышается температура в цилиндре. Когда коэффициент добавления бензина превышает 10%, доля н-бутанола в смесях постепенно уменьшается, и общая активность смесей снижается, что не способствует образованию и накоплению активных групп на стадии низкотемпературной реакции окисления, в результате чего в смеси тепловыделение на стадии высокотемпературной реакции уменьшается, и температура в цилиндре также снижается.
Рисунок 3Температура в цилиндре с разной λ с.
Фаза горения
На рис. 4 показано влияние λ на CA10 четырех тестовых топлив. Видно, что с увеличением концентрации смеси CA10 из четырех видов топлива немного отстает и практически не меняется. Причины следующие: с одной стороны, увеличивается концентрация смеси, увеличивается количество в единице объема смеси и увеличивается доля молекул, участвующих в реакции, что усугубляет столкновение между молекулами, скорость химической реакции увеличивается, который способствует воспламенению; с другой стороны, при этой температуре всасывания концентрация смеси увеличивается, количество тепла, поглощаемого испарением, увеличивается, температура в цилиндрах снижается, качество распыления становится плохим, а приготовленная смесь недостаточно однородна, что не способствует к зажиганию.Под влиянием комбинированного эффекта концентрация смеси может со временем увеличиться, и CA10 немного задержится. Также можно видеть, что при том же λ , когда соотношение бензина увеличивается, CA10 из четырех видов топлива сначала демонстрирует тенденцию постепенного запаздывания после движения вперед. Когда коэффициент добавления бензина составляет 10%, прямой диапазон CA10 является самым большим, но прямой диапазон постепенно уменьшается по мере того, как концентрация смеси становится беднее. CA10 из четырех видов топлива находится после верхней мертвой точки.Это связано с тем, что CA10 сильно зависит от термодинамического состояния цилиндра в конце такта сжатия. После добавления бензина к н-бутанолу скрытая теплота испарения смеси снижается, качество распыления улучшается, а приготовление горючей смеси становится более однородным, что способствует образованию и накоплению активных групп в смеси во время низкотемпературного окисления. фаза реакции. Это увеличивает скорость химической реакции, температура в цилиндрах выше в конце сжатия, а время зажигания увеличивается.По мере того, как доля бензина продолжает увеличиваться, цетановое число смесей постепенно уменьшается, реакционная способность смеси значительно снижается, воспламенение затруднено, и CA10 постепенно отстает. Можно видеть, что при трех различных λ с добавление небольшой доли бензина к н-бутанолу может изменить фазу сгорания, что приведет к опережению CA10 . Однако добавление бензина сверх определенной пропорции может задержать CA10 .
Рисунок 4На рисунках 5 и 6 показано влияние λ на CA50 и CD четырех тестовых топлив, соответственно.Можно видеть, что по мере увеличения λ , CA50 из четырех видов топлива постепенно отстает, а CD постепенно расширяется. Это связано с тем, что с увеличением λ концентрация смеси становится беднее, количество активированных молекул уменьшается, скорость химической реакции уменьшается, экзотерма горения замедляется и постепенно ухудшается, CA50 постепенно отстает, а CD постепенно расширяется. Можно видеть, что при том же λ , с увеличением отношения смеси бензинов, изменение четырех видов топлива CA50 в основном аналогично CA10 , показывая сначала тенденцию постепенного запаздывания после движения вперед.Когда доля бензина составляет 10%, CA50 продвигается больше всего. После добавления небольшой доли бензина в н-бутанол, CA10 смесей продвигается вперед, время выделения тепла сгорания увеличивается, и скорость реакции в цилиндре каждого элемента увеличивается, в результате чего CA50 перемещается вперед соответственно. Когда доля бензина в смеси превышает 10%, активность смеси снижается, CA10 постепенно отстает, а соответствующий CA50 также постепенно перемещается в обратном направлении.Также можно видеть, что при различных λ s, когда доля бензина увеличивается, CD из четырех видов топлива показывает тенденцию сначала к уменьшению, а затем к увеличению. CD из B90G10, B80G20 и B70G30 короче, чем B100, а CD из B90G10 является самым коротким. Когда λ составляет 2,0, 2,5 и 3,0, CD из B90G10 составляет 7,5 ° CA, 7,9 ° CA и 12,1 ° CA. Это связано с тем, что добавление небольшого количества бензина в н-бутанол способствует образованию гомогенной смеси.На стадии низкотемпературной реакции окисления он помогает н-бутанолу генерировать больше ОН, что ускоряет разложение топлива и выделение тепла, в результате чего CD короче. Когда коэффициент добавления бензина в смесях превышает 10%, хотя приготовленная смесь более однородна, содержание н-бутанола в смесях снижается, активность смесей снижается, а количество ОН, образующихся при низких -температурная стадия реакции снижается, что подавляет окислительное разложение топлива, скорость реакции горения постепенно снижается, в результате чего CD продлевается.Можно видеть, что добавление небольшой доли бензина к н-бутанолу может изменить фазу сгорания, в результате чего CA50 опережает и CD сокращается. Однако добавление бензина сверх определенной пропорции может задержать CA50 и продлить CD . В целом, по сравнению с B100, CA50 из трех смесей являются более продвинутыми, а CD из трех смесей укорочены при том же λ .
Рисунок 5 Рисунок 6Циклическое изменение
На рисунке 7 показано влияние λ на \ (\ overline {P} _ {max} \) и COV Pmax четырех тестовых топлив .Можно видеть, что по мере увеличения концентрации смеси \ (\ overline {P} _ {max} \) для четырех смесей монотонно увеличивается, и COV Pmax показывает тенденцию, большую с обеих сторон и малую в середина. Это связано с тем, что, когда λ увеличивается, концентрация смеси уменьшается, и количество выделяемого тепла уменьшается, что приводит к нестабильному сгоранию и большему COV Pmax . Когда λ низкое, концентрация смеси высокая, и смесь выбивается при сгорании, что ухудшает сгорание, снижает стабильность работы двигателя PPCI и увеличивает вариацию его цикла.Следовательно, в определенном диапазоне температура на входе и правильная концентрация смеси имеют решающее значение для его бесперебойной работы. Также можно увидеть, что при том же λ , с увеличением соотношения смешивания бензина, \ (\ overline {P} _ {max} \) четырех смесей сначала увеличивается, а затем уменьшается, в то время как тенденция изменения COV Pmax наоборот. Когда коэффициент добавления бензина составляет 10%, \ (\ overline {P} _ {max} \) является самым высоким, а COV Pmax — самым низким.Когда λ составляет 2,0, 2,5 и 3,0, \ (\ overline {P} _ {max} \) для B90G10 увеличивается на 17,7%, 21,0% и 12,0% по сравнению с B100 и COV Pmax составляет всего 3,47%, 1,67% и 1,79% соответственно. Это связано с небольшой долей бензина, добавленной в н-бутанол, подготовка горючей смеси более однородна, реакция топлива более полная, тепловыделение увеличивается и концентрируется, температура в цилиндрах быстро увеличивается, а постоянная высокотемпературная среда может поддерживаться во время рабочего цикла двигателя, чтобы работа двигателя PPCI сгорания была стабильной.Когда количество добавленного бензина продолжает увеличиваться, количество активных групп, накопленных на низкотемпературной стадии, уменьшается, и количество выделяемого тепла уменьшается, что приводит к более низкой скорости реакции сгорания, снижению температуры и давления и более низкой стабильности сгорания. Таким образом увеличивается диапазон циклических вариаций. Можно видеть, что при одинаковых λ , COV Pmax трех смесей все меньше, чем у B100, особенно у B90G10. Стабильность горения смесей лучше.Таким образом, добавление небольшого количества бензина к н-бутанолу может улучшить его стабильность сгорания.
Рисунок 7Циклическое изменение с разными λ с.
Характеристики выбросов
На рисунке 8 показано влияние λ на выбросы NOx четырех испытательных видов топлива. Можно видеть, что по мере уменьшения λ выбросы NOx увеличиваются. Это связано с тем, что концентрация смеси увеличивается с уменьшением λ , а температура в цилиндрах постепенно увеличивается, что способствует образованию NOx.Также можно видеть, что выбросы NOx имеют тенденцию сначала немного увеличиваться, а затем постепенно уменьшаться с увеличением отношения смеси бензина. В общем, соотношение смешивания топлива мало влияет на выбросы NOx, а выбросы NOx каждого топлива с соотношением смешивания низкие и близкие к нулю. Когда λ составляет 2,0, выброс NOx B90G10 является самым большим. Образование NOx тесно связано с температурой в цилиндре, концентрацией кислорода и временем пребывания в высокотемпературной реакции. В двигателе PPCI используется частично однородная смесь.Хотя его кислорода достаточно во время процесса сгорания, температура сгорания в цилиндрах низкая и распределение равномерное. Избегают условий высокой температуры, необходимых для образования NOx. В то же время при сгорании двигателя PPCI горючая смесь почти одновременно сжимается и воспламеняется. Его скорость сгорания чрезвычайно высокая, а CD — короткая, что сокращает время нахождения топлива при высокой температуре, тем самым подавляя образование NOx.Согласно предыдущему анализу, по сравнению с B100, HRR max смесей н-бутанол / бензин больше, а температура в цилиндрах относительно выше, поэтому выбросы NOx увеличиваются. T max B90G10 достигает 1868 K, что выше критической температуры для образования NOx 1800 K, поэтому выброс NOx увеличивается, но в это время скорость реакции горения выше, и время пребывания высокотемпературной реакции короче.Следовательно, увеличение выбросов NOx ограничено. Можно видеть, что при одном и том же λ выбросы NOx трех смесей все выше, чем B100, особенно B90G10.
Рисунок 8Выбросы NOx при различных λ с.
На рисунках 9 и 10 показано влияние λ на выбросы HC и CO четырех испытательных видов топлива, соответственно. Видно, что с уменьшением λ , выбросы HC и CO от четырех испытательных топлив постепенно снижаются. Как один из промежуточных продуктов процесса сгорания, CO является результатом неполного окисления.В условиях гомогенного и обедненного смешивания его образование тесно связано с температурой в цилиндре. Можно видеть, что по мере увеличения соотношения компонентов бензина выбросы CO сначала снижаются, а затем постепенно увеличиваются. Когда доля бензина составляет 10%, выброс CO является самым низким при каждой концентрации смеси. Это связано с тем, что после добавления небольшого количества бензина приготовленная смесь становится более однородной, а температура сгорания в цилиндрах выше в конце сжатия, что создает благоприятную среду для окисления CO.Однако, когда коэффициент добавления бензина в смеси превышает 10%, активность смесей снижается и воспламенение затруднено. Большое количество несгоревшей смеси попадает в зазоры и полностью не сгорает. В то же время температура в цилиндрах падает, что препятствует протеканию реакции окисления CO, поэтому CO 2 не может быть произведен, что приводит к постепенному увеличению CO. Также можно видеть, что по мере увеличения отношения смеси бензина, HC выбросы показывают такую же тенденцию изменения, как и CO.Факторы образования углеводородов в основном включают охлаждающий эффект на стенку цилиндра и эффект узкой щели. Когда доля бензина составляет 10%, выброс углеводородов является самым низким при каждой концентрации смеси. Из предыдущего анализа видно, что после добавления небольшого количества бензина в н-бутанол давление и температура в цилиндрах увеличиваются, так что охлаждающий эффект стенки цилиндра и эффект узкого зазора ослабляются, а выбросы углеводородов снижаются. . Можно видеть, что при том же λ выбросы CO и HC трех смесей ниже, чем B100, особенно B90G10.Очевидно, что сжигание смесей н-бутанол / бензин может снизить выбросы CO и HC. Это противоположно результату выбросов NOx.
Рисунок 9Выбросы CO при различных λ с.
Рисунок 10Выбросы УВ при различных λ с.
Влияние температуры на впуске
Этот тест в основном изучает влияние T в на процесс сгорания двигателя PPCI со смесями н-бутанола / бензина при различных соотношениях компонентов смеси.В испытании использовался нагреватель всасываемого воздуха для управления T в при 110 ° C, 120 ° C, 130 ° C и 140 ° C, n был установлен на 1200 об / мин, λ был 2,5, и время прямого впрыска топлива составляло 20 ° CA после верхней мертвой точки впуска.
Давление в цилиндре и HRR
На рисунке 11 показано влияние T в на давление в цилиндре и HRR четырех тестовых топлив. Хорошо видно, что с увеличением T в , P max и HRR max постепенно увеличиваются, и положение угла поворота коленвала, соответствующее перемещению вперед, тепловыделение более концентрированный.И когда T в составляет 140 ℃, λ составляет 2,5 и n составляет 1200 об / мин, давление в цилиндре и HRR B100 близки к результатам в ссылочных позициях 34 . Видно, что на сгорание н-бутанола сильно влияет температура на входе. При нормальной температуре и давлении на входе чистый н-бутанол плохо самовоспламеняется. Из-за влияния реакционной способности н-бутанола и групп ОН только небольшая часть н-бутанола участвует в низкотемпературном разветвлении, что приводит к увеличению времени задержки воспламенения при низких температурах 31,32 .Для B90G10, когда T в увеличивается с 110 ° C до 140 ° C, P max увеличивается с 4,91 МПа до 6,12 МПа. Соответствующий угол поворота кривошипа смещен вперед на 7 ° CA. HRR max увеличен с 0,105 кДж / ° CA до 0,194 кДж / ° CA, а соответствующий угол поворота кривошипа увеличен на 8 ° CA. Вышеупомянутое явление происходит потому, что с увеличением T на испарение и распыление топлива ускоряются, и приготовленная смесь становится более однородной.С другой стороны, увеличение T на увеличивает долю активированных молекул в смеси. Внутренняя энергия активированных молекул увеличивается, что усиливает столкновение между молекулами, тем самым ускоряя скорость химической реакции и сокращая время реакции сгорания, так что тепловыделение увеличивается, давление в цилиндре быстро увеличивается, и P макс и HRR макс увеличение.Как можно видеть, при том же T в , HRR max горения PPCI, заправленного смесями н-бутанола / бензина, больше, чем B100, особенно B90G10. Определенная пропорция бензина, добавленная к н-бутанолу, может улучшить характеристики сгорания н-бутанола, но по мере увеличения отношения смеси бензина P max и HRR max имеют тенденцию к снижению.
Рисунок 11Давление в цилиндре и HRR с разными T за с.
Из предыдущего анализа видно, что небольшая часть бензина, добавленная к н-бутанолу, улучшает качество распыления и увеличивает теплотворную способность топлива. При том же λ , по сравнению с B100, приготовление горючей смеси более равномерное, что способствует ускорению скорости химической реакции, увеличивает тепло, выделяемое после окисления топлива, и давление в цилиндре быстро повышается, поэтому P max и HRR max значительно увеличиваются.Когда соотношение бензина в смеси превышает 10%, содержание н-бутанола уменьшается, а количество ОН, образующегося на стадии низкотемпературной реакции, уменьшается, что не способствует окислению топлива. Это вызывает снижение скорости реакции горения и замедления тепловыделения, что приводит к падению P max и HRR max , и в то же время соответствующее угловое положение коленчатого вала перемещается назад.
Температура в цилиндре
На рисунке 12 показано влияние T в на температуру в цилиндре четырех испытательных топлив.Можно видеть, что T max постепенно увеличивается с увеличением T в , и соответствующий угол поворота коленчатого вала также непрерывно перемещается вперед. Для B90G10, поскольку T в увеличивается с 110 ° C до 140 ° C, T max увеличивается на 178 ° C, а соответствующий угол поворота коленчатого вала увеличивается на 9 ° CA. Это связано с тем, что с увеличением T на количество активированных молекул и внутренняя энергия смесей увеличиваются, что не только способствует образованию гомогенной смеси, но и ускоряет скорость реакции.Время сгорания сокращается, количество выделяемого тепла увеличивается и концентрируется, так что температура в цилиндрах повышается, а время T max кажется движется вперед. Из предыдущего анализа видно, что после добавления бензина к н-бутанолу качество распыления улучшается, приготовление горючей смеси более равномерное, а сгорание более полное. При этом увеличивается HRR max , наконец, соответственно повышается температура в цилиндрах.Когда коэффициент добавления бензина превышает 10%, общая активность смесей снижается, что не способствует образованию и накоплению активных групп на стадии низкотемпературной реакции окисления. Следовательно, температура в цилиндре снижается.
Рисунок 12Температура в цилиндре при разной температуре T в с.
Фаза горения
На рисунке 13 показано влияние T в на CA10 из четырех тестовых топлив.Видно, что с увеличением T в , CA10 из четырех видов топлива продвигаются. Когда T в составляет 140 ° C, все CA10 находятся перед верхней мертвой точкой. Для B90G10, когда T в составляет 110 ° C, CA10 имеет температуру около 4,3 ° CA. Когда T в поднимается до 130 ° C, CA10 достигает примерно 1,8 ° CA около верхней мертвой точки. Когда T в продолжает повышаться до 140 ° C, CA10 составляет около 0.5 ° CA перед верхней мертвой точкой. Это связано с тем, что с увеличением T на количество активированных молекул и внутренняя энергия увеличиваются, что облегчает естественное воспламенение смеси, экзотермическое время реакции увеличивается. CA10 сильно зависит от термодинамического состояния цилиндра в конце такта сжатия. После добавления бензина к н-бутанолу качество распыления улучшается, и приготовленная горючая смесь становится более однородной, что способствует образованию и накоплению активных групп на стадии низкотемпературной реакции окисления.В конце сжатия температура в цилиндрах выше, а время зажигания увеличивается. По мере того как доля добавляемого бензина продолжает увеличиваться, цетановое число смесей постепенно уменьшается, реакционная способность смеси значительно снижается, и CA10 постепенно отстает.
Рисунок 13CA10 с разными T через с.
На рисунке 14 показано влияние T в на CA50 из четырех тестовых топлив.Можно видеть, что тенденция изменения CA50 аналогична тенденции изменения CA10 . При увеличении T на , CA50 постепенно продвигается вперед. Для B90G10 значение T в увеличено с 110 ° C до 140 ° C, а CA50 — примерно на 8 ° CA. Это связано с тем, что с увеличением T в скорость реакции горения увеличивается, время, необходимое для сжигания 50% смеси, значительно сокращается, и CA50 перемещается вперед.После добавления небольшого количества бензина к н-бутанолу CA10 смесей продвигается вперед, увеличивается время экзотермии сгорания и скорость реакции каждого элементарного элемента цилиндра увеличивается, заставляя CA50 двигаться вперед соответственно. Когда коэффициент добавления бензина больше 10%, активность смесей снижается, CA10 постепенно отстает, а соответствующий CA50 постепенно перемещается назад.
Рисунок 14CA50 с разными T через с.
На рисунке 15 показано влияние T в на CD из четырех тестовых топлив. Видно, что с увеличением T в , CD s четырех видов топлива непрерывно укорачиваются. Основная причина аналогична описанной выше. При увеличении T на приготовление смеси становится более однородным, увеличивается доля активированных молекул и обостряется столкновение между молекулами.Тепловыделение сосредоточено, что сокращает время горения. Также можно увидеть, что когда T в составляет 110 ° C, CD s для B80G20 и B70G30 значительно продлеваются, главным образом потому, что T в ниже точки кипения n- бутанол в это время качество распыления топлива оставляет желать лучшего, и приготовление однородной смеси блокируется. Кроме того, содержание н-бутанола в смесях уменьшается, а количество ОН, образующегося на низкотемпературной стадии, уменьшается, что не способствует окислительному разложению топлива, что снижает скорость химической реакции и продлевает CD .
Рисунок 15Циклическое изменение
На рисунке 16 показано влияние T в на \ (\ overline {P} _ {max} \) и COV Pmax из четырех тестов топливо. Видно, что с увеличением T в , \ (\ overline {P} _ {max} \) для четырех видов топлива монотонно увеличивается, а COV Pmax — наоборот. Для B90G10 с T в увеличено с 110 ° C до 140 ° C, \ (\ overline {P} _ {max} \) увеличено с 4.41 МПа до 6,27 МПа, при этом COV Pmax постепенно снижается с 3,46% до 1,04%. Это связано с тем, что увеличение T в увеличивает скорость реакции, сокращает время реакции сгорания и делает распределение пикового давления относительно концентрированным, а COV Pmax снижается. Можно видеть, что при тех же T в , COV Pmax трех смесей все меньше, чем у B100, особенно B90G10.Стабильность горения смесей лучше. Добавление небольшого количества бензина к н-бутанолу может улучшить стабильность горения.
Рисунок 16Циклическое изменение с разными T за с.
Из предыдущего анализа видно, что после добавления небольшого количества бензина к н-бутанолу приготовление горючей смеси становится более однородным, экзотерма горения увеличивается и концентрируется. Таким образом, температура в цилиндре быстро растет, и соответственно повышается давление в цилиндре.Постоянная высокотемпературная среда может поддерживаться между рабочими циклами двигателя, так что работа двигателя сгорания PPCI является стабильной. Когда количество добавленного бензина продолжает увеличиваться, активность топлива снижается, количество активных групп, накопленных на низкотемпературной ступени, уменьшается, а количество выделяемого тепла уменьшается, что приводит к более медленной скорости реакции сгорания, снижению температуры и давления в цилиндрах. В результате снижается стабильность горения и, следовательно, увеличивается диапазон циклического изменения.
Характеристики выбросов
На рисунке 17 показано влияние T в на выбросы NOx четырех испытательных топлив. Можно видеть, что при различных T в s выбросы NOx четырех видов топлива находятся на сверхнизком уровне. Это связано с тем, что выбросы NOx во многом зависят от пиковой температуры сгорания и концентрации кислорода в цилиндрах. Хотя при сгорании PPCI используется частично гомогенная смесь, а сгорание происходит в богатой кислородом среде, температура в цилиндрах четырех видов топлива составляет менее 1800 K при различных T за с, что ниже критической температуры для генерируют NOx, поэтому их выбросы NOx низкие.Можно видеть, что при тех же T в , выбросы NOx трех смесей все выше, чем B100, особенно B90G10. Небольшая часть бензина, добавленная к н-бутанолу, может повысить давление и температуру в цилиндрах, что приведет к более концентрированному выделению тепла. Таким образом, выбросы NOx увеличиваются. Это согласуется с предыдущим анализом.
Рисунок 17Выбросы NOx с разными T за с.
На рисунках 18 и 19 показано влияние T в на выбросы CO и HC четырех испытательных топлив, соответственно.Можно видеть, что с увеличением T на , выбросы CO и HC четырех видов топлива демонстрируют тенденцию к монотонному снижению. CO является промежуточным продуктом сгорания, и его образование сильно зависит от температуры в цилиндрах. Когда температура низкая, образуется больше CO. С увеличением T на приготовление смеси становится более равномерным и активность значительно увеличивается, что способствует ускорению скорости химической реакции и более полному сгоранию.Кроме того, с увеличением T на температура в цилиндрах увеличивается, что создает благоприятную среду для дальнейшего окисления CO. Условия образования углеводородов аналогичны условиям образования CO. Повышение температуры в цилиндрах ослабляет охлаждающий эффект стенок цилиндров и эффект узкого зазора, что благоприятно сказывается на окислении углеводородов. Таким образом, с увеличением T до , выбросы CO и HC уменьшаются. Видно, что при тех же T в выбросы CO и HC трех смесей ниже, чем B100, особенно B90G10.Очевидно, что сжигание смесей н-бутанол / бензин может снизить выбросы CO и HC. Это противоположно результату выбросов NOx. Из предыдущего анализа видно, что после добавления небольшого количества бензина к н-бутанолу приготовленная смесь становится более однородной, а температура в цилиндре выше в конце сжатия, что создает благоприятную среду для окисления CO. Одновременно ослабляются охлаждающий эффект стенки цилиндра и эффект узкого зазора, а также сокращаются выбросы углеводородов.Однако при дальнейшем увеличении доли бензина активность топлива снижается, и его трудно воспламенить. Большое количество несгоревшей газовой смеси попадает в зазор поршень-цилиндр и не сгорает в достаточной степени. По мере развития реакции CO 2 не может образовываться, что приводит к постепенному увеличению производства CO. В то же время температура и давление в цилиндре могут снизиться, скорость реакции сгорания может замедлиться, топливо может сгореть недостаточно, эффект охлаждения стенки цилиндра и эффект зазора цилиндра могут усилиться.Не способствует окислению углеводородов. Следовательно, выбросы углеводородов могут в конечном итоге возрасти по мере дальнейшего увеличения доли добавляемого бензина.
Рисунок 18Выбросы CO при различных T за с.
Рисунок 19Выбросы УВ с разными T за с.
MAZDA: Бензиновый двигатель нового поколения SKYACTIV-X | Особые характеристики
Интервью с ведущим инженером двигателя нового поколения SKYACTIV-X
Погоня за совершенным двигателем
Эйдзи Накаи
Генеральный директор
Отдел разработки силовых агрегатов
Q: Что такое SKYACTIV-X и чем он отличается от предыдущих двигателей?
A: Проще говоря, SKYACTIV-X — это бензиновый двигатель, сочетающий в себе преимущества бензиновых и дизельных двигателей, что соответствует названию «следующего поколения».«Он помогает земле и людям, предлагая беспрецедентные экологические характеристики и отзывчивое вождение. Например, он повышает эффективность использования топлива до 20-30 процентов по сравнению с нынешним бензиновым двигателем Mazda, а также увеличивает крутящий момент * 1 на 10-30 процентов. По сути, он предлагает ходовые качества спортивного автомобиля с 2-литровым бензиновым двигателем (MX-5) с выбросами углекислого газа 1,5-литрового дизельного компактного автомобиля (Mazda2).
* 1 Мера вращательной или движущей силы, создаваемой двигателем.Это влияет на ускорение от постоянной скорости.
Характеристики бензинового двигателя нового поколения
В: Почему из всех доступных технологий, таких как электричество и водород, вы сосредоточились на двигателе внутреннего сгорания?
A: Хотя верно то, что различные технологии разрабатываются и выводятся на рынок, у каждой есть свои проблемы. Энергетическая инфраструктура различается в зависимости от страны и региона. Условия эксплуатации — дорожные условия и стиль вождения — также различаются у разных клиентов.Учитывая это, мы подумали, какие экологические технологии лучше всего. Суть заключалась в том, чтобы сократить выбросы углекислого газа по каждому колесу — от точки отбора топлива до вождения автомобиля — и сделать это при реальном вождении на глобальном уровне.
Наше исследование указывало на двигатель внутреннего сгорания. Мы поняли, что повышение эффективности существующих двигателей приведет к сокращению выбросов углекислого газа во всем мире и в реальных условиях вождения.
Дальнейшие перспективы двигателя внутреннего сгорания продемонстрировали сторонние организации.Согласно отчету Международного энергетического агентства, автомобили с двигателями внутреннего сгорания будут составлять около 84 процентов всех транспортных средств в 2035 году. Конечно, мы также разрабатываем другие технологии, чтобы мы могли развернуть их на рынках, где они подходят. Наш электромобиль, запуск которого запланирован на 2019 год, является одним из примеров.
Мы также изучаем способы более эффективного снижения общих выбросов за счет внедрения технологий компактной электрификации для скоростей движения, при которых страдает эффективность двигателя внутреннего сгорания.
Концептуальная схема от скважины до колеса *
В: Есть ли у двигателя внутреннего сгорания такой потенциал для улучшения?
A: Мы постоянно работаем над созданием идеального двигателя, поэтому знаем, что есть еще много возможностей для улучшения. Было проведено множество исследований потенциала — и технических трудностей — повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания. Когда Mazda разработала свои существующие двигатели (SKYACTIV-G и SKYACTIV-D), они продемонстрировали этот потенциал и привлекли внимание научного сообщества.Это помогло вдохнуть новую жизнь в исследования и разработки двигателей внутреннего сгорания. Это достижение было связано с серьезными проблемами: расширением границ аномального сгорания (детонации) в условиях высокой температуры и высокого давления в бензиновых двигателях (SKYACTIV-G) и расширением границ характеристик зажигания (пропуски зажигания) при низких температурах и низком давлении. условия в дизельных двигателях (SKYACTIV-D).
Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжимая воздух, выхлопные газы и топливо и поджигая их до сгорания.Теоретически, чем больше воздуха вы всасываете и чем сильнее сжимаете его перед сгоранием, тем большую мощность вы можете получить, но это не так. Высокая степень сжатия в бензиновых двигателях вызывает ненормальное сгорание, в то время как низкая степень сжатия в дизельных двигателях вызывает пропуски зажигания. Решая эти проблемы с обоими типами двигателей, инженеры Mazda оттачивали свои навыки при разработке двигателя следующего поколения SKYACTIV-X.
Внедрение технологии SKYACTIV (бензиновые / дизельные двигатели)
Q: Какие технические инновации были внесены в SKYACTIV-X?
A: Во-первых, мы использовали склонность к аномальному сгоранию в наших интересах.SKYACTIV-X генерирует много энергии, с силой сжимая большой объем топливовоздушной смеси и зажигая его свечой зажигания, которая затем вызывает многократное воспламенение (воспламенение от сжатия) по всему цилиндру.
Второй — баланс воздуха и топлива (бензина) внутри цилиндра. Смесь воздуха, выхлопных газов и топлива создается внутри цилиндра, и чем больше воздуха относительно топлива, тем выше эффективность использования топлива. С SKYACTIV-X нам удалось значительно увеличить соотношение воздух-топливо по сравнению с обычными двигателями.
Q: Вы, должно быть, столкнулись с трудностями при реализации этих нововведений. Как вы их преодолели?
A: Стабильное достижение цели сгорания в различных пользовательских средах — температуре воздуха, высоте, условиях движения и т. Д. — было серьезным препятствием. При воспламенении от сжатия бензин сильно горит только при соблюдении правильных условий температуры и давления. Особенно трудно загореться при высоком соотношении воздух-топливо.Нам нужно было создать условия для сжигания заданного количества топлива, как и планировалось, в каждом цикле сгорания и в различных сценариях вождения и условиях эксплуатации. Это было похоже на попытку найти идеальный способ приготовить рис, каждый раз регулируя размер пламени.
Чтобы найти это идеальное пламя, мы решили расширить наши вычислительные ресурсы. Разработка нового и сложного метода сжигания требует точного моделирования камеры сгорания. Это была разработка на основе компьютерной модели, в которой мы определили идеальное сгорание путем расчетов, а затем работали над его достижением в реальном мире.В прошлом наша работа представляла собой трудоемкий процесс, включающий создание множества прототипов автомобилей или двигателей и их многократное тестирование. Но такой подход ни к чему не привел бы при разработке нынешнего движка, поскольку имелось бесчисленное множество возможных комбинаций. Разработка на основе компьютерных моделей резко повысила эффективность нашей работы.
Мы также сотрудничали с академическими кругами и правительством в разработке фундаментальных технологий. По мере того, как мы повышали точность моделирования, мы нашли правильное «пламя», которое позволило бы бензину интенсивно гореть.Мы использовали результаты моделирования, чтобы создать что-то вроде рецепта, который затем запрограммировали в блок управления двигателем.
Этот рецепт — это система зажигания от сжатия с контролем искры (SPCCI), в которой воплощены технологии воспламенения от сжатия, применяемые последовательными поколениями инженеров по бензиновым двигателям. Мы смогли упаковать SPCCI как систему двигателя. Мы дорабатываем его для максимального удовлетворения клиентов, когда запускаем его в 2019 году.
В: Какой двигатель вы хотите разработать дальше?
A: Наша цель — продолжать стремиться к лучшему в мире двигателю: быстрому источнику энергии, который более эффективен и выделяет меньше углекислого газа в реальных сценариях вождения в зависимости от условий окружающей среды пользователя и выделяет более чистый выхлоп.
В процессе разработки SKYACTIV-X мы преодолели ряд проблем. Фактически, мы даже смогли устранить препятствие, связанное с аномальным возгоранием, и сделать это в наших интересах. В детстве кофе горький на вкус, но взрослый начинает ценить его. Что-то подобное случалось в моей карьере инженера. Проблемы, с которыми мы сталкиваемся сейчас в поисках идеального двигателя внутреннего сгорания, неизбежно станут нашей сильной стороной. Это вдохновляет нас продолжать поиск двигателя, который поможет создать прекрасную землю и обогатит жизнь людей и общества.