Двигатель внутреннего сгорания применение: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Содержание

4.2. Двигатели внутреннего сгорания - Энергетика: история, настоящее и будущее

4.2. Двигатели внутреннего сгорания

Тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения теплоты и преобразования ее части в механическую работу, называются двигателями внутреннего сгорания.

Отказ от котла, наиболее дорогой и громоздкой части паросиловой установки, позволил создать дешевый и экономичный двигатель внутреннего сгорания, который впоследствии стал основным двигателем транспортных средств.

Развитие этих двигателей началось с 1860 года, когда французский механик Ленуар впервые построил небольшой двухтактный газовый двигатель. Двигатель работал без сжатия смеси светильного газа с воздухом. Воспламенение рабочей смеси происходило при помощи электрической искры. К.п.д. такого двигателя колебался от 3 до 5% и был ниже к.п.д. поршневых паровых машин того времени, что было следствием нерационального цикла, предложенного изобретателем. Однако это изобретение сыграло крупную роль в деле создания двигателей внутреннего сгорания.

Дальнейшее развитие двигателей внутреннего сгорания пошло по пути усовершенствования предложенной конструкции без изменения рабочего цикла. На рис. 4.10. представлен такой тип двигателя.

И только немецкому технику Николаусу Августу Отто (1832 – 1891) из Кельна в 1887 году в содружестве с инженером Е. Лангеном удалось построить четырёхтактный горизонтальный одноцилиндровый газовый двигатель мощностью 4 л.с. со сжатием рабочей смеси. Двигатель работал по принципу, предложенному французским инженером Бо-де-Роша. К.п.д. их двигателей достигал уже 7 – 18%, то есть был выше к.п.д. паровых машин того времени. Созданный двигатель можно считать прототипом современных двигателей внутреннего сгорания, работающих на газообразном и жидком топливе.

На рис. 4.11 представлена индикаторная диаграмма работы четырехтактного двигателя в координатах Р (давление) – V (полный объем цилиндра). При первом такте хода поршня происходит процесс всасывания в цилиндр рабочей смеси (линия 1–2 на индикаторной диаграмме). При обратном ходе поршня (второй такт) впускной клапан закрывается и в цилиндре протекает процесс сжатия рабочей смеси (линия 2–), при этом температура и давление смеси повышаются. В начале третьего хода поршня совершается быстрое воспламенение рабочей смеси от искры, а температура и давление резко увеличиваются (линия 3–4). Затем происходит расширение рабочих газов (линия 4–5), то есть выполняется полезная работа. При крайнем положении поршня в третьем такте процесс расширения заканчивается и открывается выпускной клапан, через который при четвертом ходе поршня выбрасываются отработанные газы (линия 6 – 1, которая проходит несколько выше атмосферной линии).

Рис. 4.10. Атмосферный двигатель Отто и Лангена (1865–1866 гг.) (а) и индикаторная диаграмма (б)

Рис. 4.11. Двигатель Отто. Индикаторная диаграмма

Один из первых наиболее удачных бензиновых двигателей для автомобильной промышленности был запатентован Г. Даймлером в Германии в 1885 году.

Постройка двигателя началась на заводе Дейти. В дальнейшем на заводе конструкция двигателя была значительно усовершенствована. Вскоре двигатели Отто – Дейти благодаря компактности, экономичности и надежности в работе получили общее признание и стали выпускаться другими заводами.

К тому времени надо отнести появление двухтактных двигателей, которые по принципу действия мало чем отличаются от четырехтактных двигателей Отто. В двухтактном двигателе посреди цилиндра расположены впускные и продувочные отверстия (клапаны), открытие и закрытие которых производится поршнем. Во время первого хода поршня в цилиндре протекают процессы воспламенения и расширения рабочей смеси, в конце хода поршня открываются отверстия цилиндра и начинаются процессы выпуска отработанных газов и продувки цилиндра воздухом или горючей смесью. Эти процессы продолжаются при обратном ходе поршня, втором такте, пока поршень не перекроет отверстия и не начнется процесс сжатия свежего воздуха или горючей смеси в зависимости от типа двигателя.

Рудольф Дизель (1858–1913) – немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В 1878 году он окончил Высшую политехническую школу в Мюнхене. В патентах 1892 и 1893 гг. Дизель выдвинул идею создания двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу, близкому к идеальному, в котором наивысшая температура достигалась сжатием чистого воздуха.

В 1913 году для ведения переговоров Дизель, взяв с собой наиболее ценные документы по изготовлению двигателя, отплыл в Англию. Однако до Англии он не добрался, а бесследно исчез с корабля при неизвестных обстоятельствах.

Двухтактные двигатели имеют более равномерный ход, вдвое меньший объем цилиндра, дешевле и нашли широкое применение в автомобильной промышленности, вытеснив четырехтактные.

Все рассмотренные выше газовые, газогенераторные, а также быстроходные двигатели, работающие на жидком топливе, – автомобильные, относятся к двигателям быстрого сгорания, у которых процессы воспламенения и горения протекают

 

настолько быстро, что поршень не успевает совершить даже небольшое перемещение.

Рис. 4.12. Индикаторная диаграмма дизеля

У таких двигателей к.п.д. очень зависит от степени сжатия, поэтому они работают с предельным давлением сжатия, при котором температура рабочей смеси близка к температуре её самовоспламенения. Однако двигатели быстрого сгорания, работающие на жидком топливе (нефти, керосине, бензине), не допускают высоких степеней сжатия (3, 5, 6), так как температура воспламенения этих топлив сравнительно низкая (350 – 415°С), что и обуславливает небольшой к.п.д. двигателя.

Повышение к.п.д. двигателей, работающих на жидком топливе, было достигнуто благодаря введению в технику рабочего процесса с постепенным сгоранием топлива. Процесс постепенного сгорания топлива был предложен в 1872 году американцем Брайтоном. После этого были попытки создать такой двигатель Гаргреавесом, Капитеном и др. Однако их двигатели были ненадежными в работе. Слава создания двигателя с постепенным сгоранием топлива принадлежит Р. Дизелю.

Предложение Дизеля сводилось к высокому сжатию воздуха в полости двигателя для повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Будучи подано в полость двигателя в конце хода сжатия, горючее воспламеняется от нагретого воздуха и, нагнетаемое постепенно, осуществляет процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно. Испытание опытного образца в 1896 году принесло успех, а в 1897 году Дизель построил на Аугсбургском машиностроительном заводе первый промышленный четырехтактный одноцилиндровый двигатель с постепенным сгоранием топлива, работающий на керосине, мощностью 20 л.с. Двигатель такого типа в дальнейшем получил название дизель. Он отличался высоким к.п.д., но работал на дорогостоящем керосине, имел ряд конструктивных дефектов. После некоторых усовершенствований, внесённых в 1898 – 1899 гг., двигатель стал надёжно работать на дешёвом топливе – нефти – и получил широкое распространение в промышленности и на транспорте.

Рабочий процесс двигателя постепенного сгорания (см. индикаторную диаграмму, рис. 4.12) отличается от рабочего процесса двигателя быстрого сгорания (см. рис. 4.11) следующими особенностями:

В рабочем цилиндре дизеля при втором такте – сжатии – сжимается не рабочая смесь, а воздух (линия 2 – 3) до давления 3,2–3,4 МПа. При этом температура воздуха в конце сжатия достигает 500–600 o С, то есть температуры воспламенения вводимого в цилиндр жидкого топлива.

Вследствие высокой температуры сжатого воздуха происходит самовоспламенение вводимого топлива и не требуется зажигательного приспособления.

В третьем такте топливо вводится в цилиндр не сразу, а постепенно, вследствие чего оно сгорает при постоянном давлении на некоторой части хода поршня (линия 3 – 4), а затем происходит дальнейшее расширение образовавшихся газов (линия 4 – 5).

Распыление топлива осуществляется форсункой при помощи сжатого воздуха. Для получения сжатого воздуха применяется компрессор с давлением 5–6 МПа двух-трехступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением воздуха.

Рабочие процессы в первом и четвертом тактах дизеля подобны процессам, протекающим в двигателях быстрого сгорания (линии 1 – 2 и 6 – 1).

Наиболее ответственной частью двигателя является компрессор, который приводится в действие от самого дизеля.

Первоначально все дизели работали по рассмотренному выше четырехтактному рабочему процессу, но затем стал применяться двухтактный рабочий процесс как более экономичный. Этому способствовало введение в технику принципа безвоздушного распыления топлива, то есть бескомпрессорных дизелей.

Первый в мире городской автобус с двигателем внутреннего сгорания вышел на линию 12 апреля 1903 года в Лондоне. Его предшественником можно считать автобус с паровым двигателем, который курсировал в течение четырех месяцев 1831 года между английскими городами Глостером и Челтенхемом (Наука и жизнь, 1984, № 5).

Действительное преимущество дизелей заключалось не в отличии их рабочего процесса, а в возможности получить высокие степени сжатия, неосуществимые в двигателях быстрого сгорания из-за низкой температуры самовоспламенения жидких сортов топлива. Рабочий процесс в дизелях проводился при степени сжатия 14–16 против 5–6 в двигателях быстрого сгорания, что повысило к. п.д. компрессорных дизелей до 28–32%, бескомпрессорных – до 30–34%.

После демонстрации на Парижской выставке 1900 года усовершенствованного двигателя Дизеля, где он получил высокую оценку, начался процесс бурного дизелестроения.

Большой вклад в усовершенствование дизельных двигателей внесли русские изобретатели. Б.Г. Луцкой (1865–1920) проектировал и строил многоцилиндровые двигатели различного назначения – автомобильные, авиационные, судовые, лодочные. В 1896 г. Г.В. Тринклер (1876–1957) построил бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания. В 1910 г. Р.А. Корейво (1852–1920) сконструировал дизельный двигатель с противоположно движущимися поршнями и передачей на два вала. А.Г. Уфимцев (1880–1936) в 1910 г. разработал шестицилиндровый карбюраторный двигатель для самолетов.

В России производство дизелей началось в 1899 году на заводе «Русский дизель» в Санкт-Петербурге. Выпускаемые заводом нефтяные дизели оказались вполне надежными в работе благодаря применению двухступенчатого компрессора и усовершенствованной нефтяной форсунки. Дизели завода «Русский дизель» получили впоследствии всеобщее признание и широко использовались в промышленности и на транспорте.

В торговом и на военном флоте дизели впервые были применены в России. Первая в мире судовая дизельная установка, состоящая из трех дизелей завода «Русский дизель» мощностью по 120 л.с., была смонтирована в 1903 году на нефтетопливной барже «Вандал». А первый реверсивный дизель был построен заводом в 1908 году для подводной лодки «Минога» мощностью 120 л.с. Перед первой мировой войной дизельные двигатели производились не только в Петербурге, но и в Москве, Сормове, Риге, Ревеле, Воронеже и других городах.

Двигатели внутреннего сгорания после значительных конструктивных изменений стали в ХХ веке основными двигателями всех транспортных средств.

Научная работа кафедры двигателей внутреннего сгорания

К основным научным направлениям кафедры относится:

  • исследование судового дизелестроения, концепций конструирования судовых комбинированных двигателей новых поколений;
  • использование фундаментальной теории управления при проектировании современных дизелей;
  • математическое моделирование нестационарных процессов в цилиндре двигателя и смежных с ним систем впуска и выпуска и топливоподающей аппаратуре;
  • создание систем наддува двигателя в зависимости от величины среднего эффективного давления;
  • проблемы создания современных дизель-электрических агрегатов переменного тока с высоким качеством электроэнергии;
  • решение проблем создания адаптивных (интеллектуальных) двигателей внутреннего сгорания;
  • моделирование и совершенствование процессов формообразования и обеспечения точности в технических и технологических системах;
  • совершенствование процессов абразивной обработки ответственных изделий машиностроения;
  • создание конструкций эффективных укороченных забоек взрывных скважин.

Перечисленным перечнем научные интересы нашей кафедры не исчерпываются. В ближайшее время кафедра планирует уделить особое внимание освоению современных методов исследований по экологическим показателям двигателей, по параметрам шума и вибрации с разработкой новых идей по улучшению этих показателей. В практическое русло переводятся исследования по конкретным моделям среднеоборотных и высокооборотных двигателей с обеспечением их работы на газообразном топливе. Кафедра располагает собственной аспирантурой, где продолжают обучение наиболее одаренные выпускники кафедры. В настоящее время 10 аспирантов работают по различным научным направлениям кафедры. В последнее время интенсивная автомобилизация Дальнего Востока за счет импортных автомобилей потребовала подготовки специалистов по автомобильным ДВС. Современный автомобильный двигатель является сердцем автомобиля, самым сложным и самым главным агрегатом автомобиля. Быть специалистом по ДВС означает применение ваших знаний на любой работе в области энергетики в любом регионе мира. Профессорско-преподавательский коллектив кафедры «ДВС» ведет обучение студентов на современном оборудовании и стендах, оснащенных разнообразной измерительной аппаратурой, ЭВМ, отечественными и импортными ДВС.

В процессе обучения студенты изучают физику процессов, происходящих в ДВС, их механизмы и системы, что позволит вам в будущем правильно эксплуатировать ДВС. В учебном процессе широко используются персональные ЭВМ, локальная вычислительная сеть ТОГУ имеет выход в INTERNET. Глубокие знания студент получает по теплотехнике, гидравлике, информатике, системам ДВС, системам автоматике, теории и конструкции ДВС. Созданы несколько научных лабораторий, в том числе, лаборатория горюче-смазочных материалов, лаборатория ДВС.

Кафедра «ДВС» имеет творческие связи с ведущими Вузами России (МГТУ им. Н.Э. Баумана, МАДИ, Санкт-Петербургский ГТУ и др.), с РАН (институт автоматики и процессов управления ДВО РАН и др.). Большую поддержку в подготовке специалистов оказывает Российская инженерная академия (РИА). Там где кипит разумная и полезная обществу работа, обойтись без науки и изобретательства просто невозможно. А на кафедре с таким творческим потенциалом и с такими кадрами, решающей дела как практические (хоздоговорные работы), научные (статьи, учебные пособия, методические указания), исследовательские (разработка аспирантами совместно с руководителями новой тематики), учебные (методические семинары, конференции) – здесь без творчества не обойтись!!! Поэтому и работает при кафедре региональный семинар по вопросам создания, проектирования и эксплуатации комбинированных двигателей внутреннего сгорания. Доклад на этом семинаре – это путевка для выхода серьезной научной работы на докторский совет по защите диссертационных работ. В этом совете четыре профессора кафедры определяют направление: тепловые двигатели внутреннего сгорания. Кафедра принимает активное участие совместно с преподавателями ДВГУПС в работе второго семинара: механика твердого деформируемого тела. На фотографии представлены частично патенты и авторские свидетельства, полученные кафедрой в разные годы. Безусловно, научная деятельность определяет и качество подготовки специалистов в области двигателей внутреннего сгорания и их эксплуатации. Симбиоз науки и практики – вот основное начало в педагогической деятельности. Кстати заметим, что практически все стенды лаборатории кафедры «ДВС» были созданы руками ее сотрудников.

Актуальным направлением является разработка и внедрение в учебный процесс заданий по курсам «Начертательная геометрия. Инженерная графика», «Инженерная и компьютерная графика» и «Компьютерная графика» для компьютерного тестирования в АСТ, которое внедряется на кафедре с 2007 года.

Как спасти двигатель внутреннего сгорания / НГ-Энергия / Независимая газета

Чиновники Еврокомиссии подтасовывают факты в пользу электромобилестроения

Строительство завода электромобилей американской корпорации Tesla под Берлином. Фото Reuters

Каждая четвертая новая легковая машина в Германии имела в 2020 году альтернативный двигатель. Из электрических моделей наибольшим спросом пользовались малый класс и внедорожники. Об этом сообщает немецкое государственное информационное агентство Deutsche Welle (DW). Продажи автомобилей марки Mercedes выросли в Германии в 2020 году на 545,7%, у бренда Volkswagen рост составил 463,3%, Renault продал на 233,8% больше, Hyundai – на 215,5%, Audi – на 133,5%, Tesla – на 55,9%... Такие астрономические цифры опубликовало Федеральное автотранспортное ведомство (KBA). Речь идет о немецком рынке электромобилей.

Бум гибридов и электромобилей на падающем рынке

В ситуации, когда число проданных в ФРГ в прошлом году новых легковых машин из-за пандемии коронавируса, двух локдаунов и рецессии снизилось по сравнению с 2019 годом на 19%, в данном сегменте крупнейшего в Европе автомобильного рынка наблюдался бурный рост. Продажи автомобилей, работающих исключительно на электрической тяге (Battery Electric Vehicle, BEV), за год увеличились более чем в три раза (на 206,8%) и достигли 194 163 единиц. Еще более высокими темпами (342,1%) рос спрос на подзаряжаемые гибриды (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV). В результате было зарегистрировано 200 469 новых плагин-гибридов. Всего же продажи различных видов гибридов достигли почти 528 тыс. В итоге примерно каждая четвертая новая легковая машина, выехавшая в прошлом году на дороги Германии, имела альтернативный двигатель, указывает KBA.

Ведомство включает в эту категорию не только электромобили и различные виды гибридов, но также легковые машины, работающие на водороде и газе – компримированном или сжиженном. Однако на немецком рынке они продолжают играть незначительную роль. Продажи автомобилей на компримированном газе, к примеру, упали в прошлом году на 6,1% и составили всего 7159 единиц.

Так что в Германии из всех альтернатив классическим двигателям внутреннего сгорания (ДВС), бензиновым и дизельным, в начале нового десятилетия перспективной представляется только электрическая тяга. Переходу на нее из экологических и климатических соображений активно содействует правительство Германии, предоставляя покупателям электромобилей и плагин-гибридов субсидии, которые могут достигать 9 тыс. евро.

Благодаря этой системе субсидирования и произошел тот коренной перелом, которого добились в 2020 году BEV и PHEV на немецком рынке. Именно так трактует итоги прошлого года глава KBA Рихард Дамм: электромобильность перестала быть экзотикой, она прочно вошла в жизнь страны.

«При сохранении темпов роста регистрации новых автомобилей на электрической тяге примерно в 22%, достигнутых в последнем квартале 2020 года, можно будет добиться провозглашенной федеральным правительством цели – выйти на уровень от 7 млн до 10 млн зарегистрированных в Германии электрических автомобилей к 2030 году», – считает глава автотранспортного ведомства.

В 2020 году больше всего от этого тренда выиграл тот немецкий автостроитель, который решительнее других сделал ставку на электрификацию выпускаемого им легкового автотранспорта: группа Volkswagen. Статистика KBA показывает, что именно этот концерн со всеми его дочерними фирмами и брендами добился в прошлом году самых значительных успехов, став, причем с существенным отрывом от конкурентов, бесспорным лидером на немецком рынке электромобилей и плагин-гибридов, особенно в сегменте BEV.

Конечно, рост продаж электромобилей сразу на 463% во многом связан с эффектом низкой базы: в 2019 году бренд VW еще не мог предложить покупателям ничего оригинального – только оснащенные электрическими моторами модели Golf или, скажем, серийное производство VW ID.3, первого электромобиля компании, с самого начала сконструированного для работы с электрическим двигателем, началось лишь в конце того года.

Но в значительной мере именно эта модель, реально поступившая к дилерам лишь в сентябре 2020 года, обеспечила бренду взрывной рост продаж и, по данным KBA, долю сразу в 23% среди всех новых BEV, зарегистрированных в прошлом году в Германии. На электромобили марки Audi пришлись 4,3%, еще одна дочерняя фирма концерна, Skoda, завоевала 2,4% при росте продаж за год на 132,7%.

Таким образом, по итогам 2020 года группа Volkswagen контролирует примерно 30% немецкого рынка электромобилей. Второе место с долей в 16,2% занял французский автостроитель Renault, чья компактная модель ZOE уже несколько лет пользуется большой популярностью во всей Европе, третье место с долей в 8,3% досталось американской корпорации Tesla.

Сравним эти показатели с данными из Норвегии, ставшей первым в мире рынком, где покупают больше электромобилей, чем легковых машин с двигателями внутреннего сгорания. В 2020 году 54,3% всех зарегистрированных в этой стране новых автомобилей имели электрические или гибридные двигатели, сообщила Служба информации дорожного движения (OFV) в Осло. По итогам 2019 года данный показатель составлял 42,4%.

Обращает на себя внимание, что четыре самые востребованные в Норвегии модели – это чисто электрические BEV: внедорожник Audi e-tron, Tesla Model 3, Volkswagen ID.3 и Nissan Leaf. Пятое место заняла гибридная версия VW Golf. Расклад сил напоминает тот, что сложился и в Германии: группа Volkswagen явно лидирует, заняв три позиции из пяти. В ближайшие дни станет понятно, в какой мере подобное распределение долей наблюдается и в других странах Европы.

Статистика KBA позволяет сделать еще некоторые выводы о специфике немецкого рынка электромобилей. Лучше всего в 2020 году продавались BEV, относящиеся к малому классу (29,9%), к городским внедорожникам SUV (19,9%), к компактному классу (19,6%) и к классу мини (16,2%). Средний класс был меньше востребован, бизнес-класс – существенно меньше.

Таким образом, жители Германии приобретали электромобили главным образом для езды по городу или в качестве второго автомобиля в семье. Либо останавливали свой выбор на особо модных в последнее время городских внедорожниках. Именно в этих сегментах рынка группа Volkswagen с брендами VW и Audi хорошо позиционирована. К классу SUV относится и электромобиль VW ID. 4, продажи которого должны начаться в 1-м квартале этого года.

Но как раз в этом классе концерн может вскоре столкнуться с мощной конкуренцией со стороны американской компании Tesla, которая после завершения строительства своей гигафабрики под Берлином собирается уже летом этого года начать там выпуск городского внедорожника Model Y.

Однако «хоронить» двигатель внутреннего сгорания в Германии еще рано.

Спасение двигателя внутреннего сгорания

Немецкая газета Welt опубликовала на днях статью о путях спасения двигателя внутреннего сгорания в условиях климатического разворота. Как известно, эти шаги являются крайне актуальными. Дело в том, что Еврокомиссия предложила проект ужесточения выбросов для автомобилей. Речь идет о нормативах Евро-7, которые должны быть введены с 2025 года. Глава немецкого союза автомобильной промышленности (VDA) Хильдергард Мюллер сравнивает это нововведение с фактическим запретом двигателя внутреннего сгорания. Вопрос, пишет газета, однако, связан с определением лимита сокращения выбросов. Насколько его можно сокращать, чтобы еще можно было использовать двигатель внутреннего сгорания? Чтобы ответить на этот вопрос, Комиссия ЕС собрала группу независимых ученых и поручила им разработать различные сценарии. Ученые должны были ответить на основной вопрос, к каким последствиям приводят различные низкие границы выбросов. Ученые разработали три сценария. Однако при презентации в Комиссии ЕС был представлен только один сценарий – самый жесткий. Как сообщили ученые немецкой газете Stuttgarter Zeitung, указание представить именно этот сценарий им поступило от вице-президента Комиссии ЕС Франса Тиммерманса, ответственного за Green Deal («зеленую сделку»). Напомним читателям, что «зеленая сделка» – это 24-страничный документ, в котором изложен путь ЕС к климатической нейтральности и радикальному снижению уровня выбросов парниковых газов в атмосферу к 2050 году. Документ затрагивает разные сферы жизнедеятельности – энергетику, сельское хозяйство, транспорт, биоразнообразие и др. Депутат Европарламента, христианский демократ Маркус Пипер высказал сомнение в таком узком и идеологизированном подходе Комиссии ЕС. Однако германская автомобильная промышленность предполагает, что именно самый жесткий сценарий и будет одобрен Комиссией ЕС, чтобы ввести нормативы Евро-7. Введение этого норматива будет означать запрет двигателя внутреннего сгорания «через заднюю дверь», или, другими словами, не напрямую. Для лимита выброса окиси азота в Евро-7 предусмотрен лимит в 10–30 мг на пройденный километр пути независимо от ситуации на дороге, погоды и состояния самого двигателя. Независимые ученые считают эти показатели в техническом плане просто недостижимыми. Поэтому они сделали вывод, что те, кто ставит цели, подобные Евро-7, просто намерены запретить двигатель внутреннего сгорания. Депутат Марк Пипер уверен, что если Евро-7 станет реальностью, то через пять или шесть лет обычные (не электрические) автомобильные моторы уже не будут производиться. И это, по его мнению, равносильно уничтожению моторостроения и промышленности, производящей компоненты для автомобильной промышленности. При этом экология не получит никакой выгоды. По мнению Пипера, электромобили имеют на самом деле гораздо худший баланс двуокиси углерода по сравнению с самыми современными дизельными автомобилями, которые после введения Евро-7 не будут больше собираться. На этот счет известно исследование группы CESifo из мюнхенского Института экономических исследований (IFO).

Сравнительное исследование транспортных средств среднего класса Tesla Model 3 и Mercedes C 220 d показало, что первая модель выбрасывает в атмосферу больше углекислого газа, чем второй автомобиль – с дизельным двигателем. К такому выводу пришли ученые исследовательской группы CESifo Института экономических исследований в Мюнхене. Результаты их работы представлены на сайте учреждения.

Опасный для окружающей среды электромобиль

Несмотря на мнение большинства о том, что массовое внедрение электромобилей экологически безопасно, выяснилось, что электромобиль производит на 25% больше выбросов, чем модель немецкого автоконцерна. Mercedes C 220 d выделяет 117 г диоксида углерода за километр, в то время как электромобиль – 159 г.

В исследовании подчеркивается, что добыча и переработка лития, необходимого для производства аккумуляторных батарей, также требует большого количества энергии. Батарея мощностью 75 кВт-ч выделяет от 10 тыс. до 14 тыс. кг углекислого газа. По мнению ученых, ввиду 10-летнего срока эксплуатации аккумулятора и среднегодового пробега электромобиля в 15 тыс. км, на который рассчитана батарея, на изготовление и дальнейшую переработку аккумулятора приходится 73–98 г углекислого газа на километр.

Отмечается, что дизельные двигатели, работающие на метане, то есть природном газе, значительно меньше загрязняют окружающую среду. В сравнении с дизельными двигателями выбросы метанового мотора меньше на треть. В настоящее время крупнейшие автоконцерны форсируют производство электромобилей. Так, например, японский производитель Toyota объявил о намерении ориентировочно к 2025 году полностью прекратить выпуск автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями, оставив в своей модельной линейке только гибриды, электромобили и автомобили, работающие на водороде.

Катализаторы и альтернативное топливо

Сторонники традиционного двигателя внутреннего сгорания делают сегодня ставку на новые катализаторы, в которых применяются… препараты из мочевины – AdBlue. Подобные катализаторы резко снижают в выхлопных газах оксид азота. Сегодня они находят применение автомобильной промышленности для достижения норм Евро-6. Зеленые в Европарламенте требуют дальнейшего совершенствования катализаторов с AdBlue и полагают, что это поможет внедрению норм Евро-7 для традиционных автомобильных моторов.

В Германии по этому поводу разгорается дискуссия о новой концепции энергетического налога и замене им традиционного топливного налога, который учитывается в цене бензина на немецких бензоколонках. На сегодня, по данным Statista, в цене 1,449 евро за литр Супер, на налоги приходится 65% цены. Важнейшими налогами при этом являются наряду с НДС энергетический или топливный налог.

Речь идет о том, чтобы бензин или дизель оценивался с позиций воздействия на окружающую среду и эмиссии двуокиси углерода. Это позволило бы повысить конкурентоспособность альтернативных видов топлива, которые более благоприятны в отношении окружающей среды. Консалтинговая фирма Frontier Economics и исследовательский институт при Кельнском университете (FiFo) разработали концепцию реформы энергетического налога с позиций усиления охраны окружающей среды. С точки зрения разработчиков, чтобы достичь климатических целей, и на транспорте необходимо наряду с повышением уровня электромобильности активнее внедрять альтернативные виды топлива. В данном случае речь идет о биотопливе из растительных масел и отходов, а также о новых видах топлива, производимого исключительно с использованием возобновляемых источников энергии. Речь идет о водороде. Разумеется, производство такого топлива дороже, чем изготовление топлива из ископаемого сырья. Но чтобы обеспечить их выход на рынок, необходимо создание соответствующих условий, и главную роль в создании таких условий будет играть налоговая политика.

Сегодня же, указывает газета, именно роль такого регулятора, как энергетический налог, остается вне поля зрения экологов. Подход к энергетическому налогу должен быть изменен. Как известно, в Германии с 15 июля 2006 года он в качестве потребительского налога заменил налог на нефтепродукты и регулирует налогообложение всех видов энергоносителей как природного, так и искусственного происхождения. Вопрос заключается в том, что именно облагать налогом. Немецкий институт прикладной экологии (Institute for Applied Ecology) рекомендует дополнительно включить в энергетический налог ставку на выбросы двуокиси углерода.

Иной подход демонстрирует уже упомянутая выше группа ученых из FiFo Кельнского университета. Они предлагают изменить измеряемую базу энергетического налога. Если в действующем налоге в части автомобильного бензина или дизельного топлива налогом облагается, по сути, уровень содержания серы, то в будущем налогом должен облагаться только уровень содержания углерода ископаемого топлива. Благодаря этому альтернативные виды топлива станут конкурентоспособнее, чем традиционные виды топлива, производимые из нефти. Встает вопрос – что это даст? В сравнении с планами по введению Евро-7, который может исключить использование двигателя внутреннего сгорания, новое налогообложение топлива позволит сохранить парк автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Адриан Виллиг, управляющий немецкого научно-исследовательского института тепла и мобильности (IWO), который совместно с экспертами объединения топливной промышленности Германии (MWV) подготовил исследование по перспективам двигателя внутреннего сгорания в мире, утверждает, что даже при бурном расширении электромобильности в 2030 году по дорогам Германии будут ездить 35 млн автомашин с двигателем внутреннего сгорания и жидкие виды топлива по-прежнему будут играть важную роль в транспорте. Отсюда и необходимость того, чтобы и двигатель внутреннего сгорания вносил свой вклад в снижение выбросов парниковых газов. Предлагаемые изменения могут позволить реализовать в случае бензина и дизеля, производимых из ископаемых энергоносителей, налоговую ставку в 300–400 евро на тонну выбросов СО2, которые потребителя не столь затронут, как введение Евро-7. А для инвесторов будет дан сигнал вкладывать средства в производство альтернативных видов топлива. 

Классификация и области применения двигателей внутреннего сгорания

Оборудование, материаловедение, механика и ...

Статьи Чертежи Таблицы О сайте Реклама Классификация и области применения двигателей внутреннего сгорания  [c.259]

Классификация и области применения поршневых двигателей внутреннего сгорания. Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируют по следующим признакам по виду топлива — газовые, жидкого легкого топлива (бензин, легроин и керосин) и тяжелого топлива (дизельное топливо, соляровое масло, мазут и др.) по числу тактов, составляющих рабочий цикл, — четырех- и двухтактные по способу приготовления горючей смеси (смесеобразования) — с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и двигатели с виутрегпшм смесеобразованием (дизельные) по числу цилиндров — одно-, двух- и многоцилиндровые по расположению осей цилиндра — рядные вертикальные (рис. 178, й), рядные горизонтальные (рис. 178, б), V-образные (рис. 178, в) и звездообразные ( с. 178, г) по частоте вращения коленчатого вала и скорости движения поршня — быстроходные и 238  [c.238]



Смотреть главы в:

Техническая термодинамика и тепловые двигатели  -> Классификация и области применения двигателей внутреннего сгорания





92, 95 — Классификация и применени

Внутреннее применение

Двигатели классификация

Двигатель внутреннего сгорани

Двигатель внутреннего сгорания

Классификация Применение

Классификация двигателей внутреннего сгорания

Классификация и область применения

Классификация областей

Область применени

Ц икл двигателя внутреннего

© 2021 Mash-xxl. info Реклама на сайте

как российский автопром может завоевать мир

Просто один пример, как это будет работать. В сегодняшнем технологическом укладе автомобили BMW, Mercedes, Audi считаются продуктами самой высокой технологии, вершиной современной конструкторской мысли. В каждом из них примерно 1500 трущихся деталей, требующих длинной и фондоёмкой цепочки оборудования для особо точной обработки различных металлов, много подшипников, масел и тд. Это самые сложные и ответственные элементы автомобиля: двигатели, коробки передач, мосты, карданы, тормозные и рулевые системы и т.д. Для производства автомобилей по традиционной технологии добываются миллионы тонн разных видов руды, уголь, производится метал очень сложных составов со строгими физико-химическими характеристиками, требуется оборудование для дорогостоящих процессов литья, прокатки, штамповки, сварки, окраски…Крутится гигантская производственно-технологическая цепочка с миллионами рабочих мест. Так изготавливается любой автомобиль. Именно поэтому господдержка направляется прежде всего производителям с глубокой локализацией. Но… наступает новый технологический уклад. Появляется один из первых образцов-автомобиль Tesla (Model 3). В этом автомобиле ещё только первого поколения нового технологического уклада — кузов композитный, двигатель электрический. Всего 140-150 трущихся деталей. Это означает, что дорогостоящее оборудование заготовительных производств автозаводов (металлургия, кузница, прессовое, арматурное,) и особо точного механообрабатывающего (двигатели, КПП, мосты, карданы) можно сдать в металлолом. Туда же скоро можно отправить сварку и окраску, поскольку композиты и пластики можно окрашивать при приготовлении массы для формования. Mercedes недавно обнародовал, что инвестиции в строительство его завода в России (пока без мощностей по производству двигателей, КПП и других сложных механических узлов и литейного производства) мощностью 25 000 авто в год составили около €300 миллионов. На мощность 100 000 автомобилей (даже бюджетного сегмента) с полным набором локализации производства традиционных узлов и агрегатов потребуются существенно более высокие инвестиции. Это цена пути углубления традиционной технологии для автопрома. Есть над чем задуматься. Но гораздо более существенные и дорогостоящие изменения автопром потребует от других отраслей. С точки зрения нового технологического уклада производства автомобиля, это означает, что автопрому больше в таких масштабах не нужна прежняя металлургия и традиционная металлообработка, радикально меняются требования к продукции таких отраслей, как химия и нефтегазохимия.

Применение двигателей внутреннего сгорания для скоростного движения на железных дорогах

В 20-30-е годы в Германии проводились эксперименты по созданию скоростного подвижного состава с пропеллерной тягой и авиационными двигателями.

21 июня 1931 года аэровагон, спроектированный доктором Ф.Крюкенбергом, прозванный журналистами "Цеппелин на рельсах" за внешнее сходство с дирижаблями Ф. Цеппелина, во время опытной поездки между Гамбургом и Берлином установил рекорд скорости 230 км/ч. Аэровагон представлял собой двухосный железнодорожный экипаж, кузов которого был изготовлен из легких сплавов и имел обтекаемую форму. Четырехлопастный толкающий воздушный винт, установленный в задней части машины, приводился во вращение 12-цилиндровым бензиновым двигателем мощностью 441 кВт. В коммерческой эксплуатации аэровагон не использовался.

В 1933 году на маршруте Берлин-Гом бург были введены экспрессы, получившие позже фирменное наименование "Летучий Гамбуржец". Движение осуществлялось дизельными мотрисами18 серии БУТ 877, состоявшими из двух сочлененных вагонов на промежуточной тележке. Технической изюминкой проекта являлся экономичный дизель "Майбах" мощностью 301 кВт, который был установлен в каждом из вагонов и через электрическую передачу приводил во вращение движущие оси.

Уже в первой поездке 15 мая 1933 года автомотриса БУТ 877 превысила стомильный рубеж скорости, достигнув 165 км/ч, и в движении по расписанию перекрыла рекорд британского экспресса "Летучий шотландец", что и послужило поводом для присвоения поезду названия "Летучий гамбуржец”.

23 июня 1939 года немецкий трехвагонный дизель-поезд, построенный Ф.Крюкенбергом, в опытной поездке на маршруте Гамбург-Бгрлин развил максимальную скорость 215 км/ч.

Одной из первых и весьма успешных попыток применения двигателя внутреннего сгорания для скоростного движения в США стал дизель-поезд "Пионер Зефир"19 на линии Бурлингтон, которая связывает Чикаго с городами-близнецами - Сент-Пол и Миннеаполис.

Дизель-поезд "Пионер Зефир" был изготовлен фирмой Бадд в 1934 году. Поезд состоял из трех сочлененных вагонов на промежуточных тележках. Успех проекту во многом обеспечило применение легкого и мощного дизеля серии 201А компании Дженерал Моторз.

В начале апреля 1934 года на испытаниях поезд "Пионер Зефир" развил скорость 167,3 км/ч. 26 мая 1934 года "Пионер Зефир" прошел путь между городами Денвер и Чикаго, равный 1690 км, за 13 часов со средней скоростью 130 км/ч. В то время лучший поезд с паровой тягой проходил этот маршрут по расписанию за 26 часов 45 мин.

В октябре того же. года железнодорожная компания Юнион Пасифик продемонстрировала в поездке "от океана до океана" свой новый скоростной дизель-поезд серии М10001,

рассчитанный на максимальную скорость 192 км/ч. Он имел 6 вагонов, в головном располагалась дизель-генераторная установка мощностью 883 кВт, питавшая электроэнергией два тяговых двигателя первой тележки.

22 октября поезд М10001, преодолев за 57 часов расстояние 5216 км, прибыл в Нью-Йорк, показав среднюю техническую скорость 91,5 км/ч-самую высокую в мире для такой большой дистанции.

Во Франции в 1937 году был построен скоростной тепловоз серии 262BD1, имевший суммарную мощность в двух секциях 2944 кВт, предназначенный для обслуживания со скоростями до 130 км/ч экспрессов Париж-Ривьера.

Хорошие результаты были достигнуты во Франции в скоростном движении на линии Париж-Лион и Средиземноморье автомотрисами "Бугатти Рояль". Они имели по четыре двигателя "Рояль" (147 кВт каждый), которые работали на смеси бензола и спирта. Технической новинкой автомотрисы были уникальные четырехосные тележки, две на вагон, колеса которых имели резиновые вкладыши между центрами и бандажами. Мотрисы "Бугатти Рояль" развивали скорость свыше 170 км/ч, но в силу законодательного ограничения эксплуатировались с максимальными скоростями до 120 км/ч.

После второй мировой войны значительные результаты в использовании тепловозной тяги в скоростном движении были достигнуты в Великобритании с помощью тепловозов «Делтик», а затем дизель-поездов Интерсити 125 , которые развивали максимальную скорость 125 миль/ч (201,1 км/ч) и отмечены в Книге рекордов Гиннесса как самые быстрые дизель-поезда.

В России 5 октября 1993 года был установлен рекорд скорости для одиночного тепловоза. На перегоне Шлюз-Дорошиха линии Петербург-Москва тепловоз ТЭП80 в испытательном заезде развил скорость 271 км/ч. Эта скорость является также национальным рекордом для железных дорог России.

⇐Первые опыты по использованию электрической тяги для скоростного и высокоскоростного железнодорожного движения | Высокоскоростные железные дороги | Использование электрической тяги для скоростного и высокоскоростного движения⇒

Применение феноменологических моделей сгорания дизельного топлива в различных условиях эксплуатации

Аннотация

На мировом рынке двигатели внутреннего сгорания используются в качестве силовых машин в различных отраслях промышленности. Сильное влияние на эффективность сгорания, в том числе на термический КПД и выброс отработанных газов, оказывает состояние окружающей среды и свойства топлива. Известно, что предлагаемое на рынке топливо обладает большим разбросом показателей по плотности, вязкости, воспламеняемости и теплотворной способности. В настоящем исследовании рассматриваются расчетные модели процесса сгорания топлива внутри цилиндра на примере судового дизельного двигателя. Модели калибровались исходя из результатов проведенных измерений, и исследовалось влияния различных свойств топлива на эксплуатационные характеристики двигателя. Результаты исследования показали возможность использования моделей для оценки эффективности сгорания.

1. Введение

Компания Yanmar занимается поставкой систем силовой передачи заказчикам по всему миру под лозунгом «Лучшие силовые машины с минимальным воздействием на окружающую среду». Привод силовой установки должен сохранять стабильность параметров в широком диапазоне условий эксплуатации. Несмотря на широкое применение двигателей внутреннего сгорания в качестве силовых машин для промышленности с отличными характеристиками, известно, что их производительность зависит от условий эксплуатации, в том числе от погодных условий (температура и давление) и свойств топлива. Вместе с тем, ввиду ухудшения глобальной экологической обстановки, нормативные требования по выбросам отработавших газов становятся все более и более жесткими. В Европе с 2017 года все пассажирские транспортные средства, помимо испытаний на динамическом стенде, обязаны проходить испытания на выбросы в реальных условиях дорожного движения (RDE). Ожидается, что в будущем и промышленные двигатели станут предметом пристального внимания относительно расхода топлива и выбросов, вследствие чего возникает необходимость обеспечения стабильности эксплуатационных характеристик двигателя в более широком диапазоне условий.

Обычной практикой при разработке двигателей является проведение первоначальных испытаний на соответствие эксплуатационным характеристикам при стандартных атмосферных условиях (25 °C, 1 атм) и на топливе, соответствующем нормам, а затем осуществление проверок качества и регулировок, путем испытания двигателей в разных условиях, в которых предполагается их использование. Поскольку продажа двигателей осуществляется по всему миру, проверка их работы во всех условиях эксплуатации, к сожалению, является непрактичной. В результате появилась потребность в разработке простых и точных методов прогнозирования эксплуатационных характеристик и внедрении способов упреждающей проверки качества в широком диапазоне условий эксплуатации. С этой целью автор работал над применением модельно-ориентированного подхода к разработке (MBD) прогноза эксплуатационной характеристики двигателя. В настоящей статье описывается возможность использования модели впрыска и сгорания топлива для прогнозирования эффективности сгорания.


2. Разработка модели


2.1. Обзор модели двигателя

Для данного исследования была разработана, с использованием инструментов анализа GT-Suite компании Gamma Technologies США, модель прогнозирования эффективности сгорания. Программное обеспечение GT-Suite может применяться для комбинированного анализа как расхода жидкостей, так и механических систем. В данном контексте под потоком жидкости понимаются входные и выходные тракты, а также поток топлива по системе впрыска (насосу, трубке высокого давления и инжекторам), а под механической системой понимается коленчатый вал и поршни. Для анализа потока применяется набор уравнений сохранения массы, момента и энергии, основанный на уравнениях Навье — Стокса. Особенность анализа состоит в том, что, в отличие от компьютерного трехмерного газодинамического расчета (CFD), применяемого для подробного анализа, набор уравнений позволяет быстро получить решение, всего лишь выполнив пространственную дискретизацию по направлению потока(1).

Модель прогнозирования сгорания состоит из отдельных моделей: модели системы впрыска топлива и модели сгорания в цилиндре. Сначала для расчета величины цикловой подачи топлива при заданных условиях работы насоса используется модель впрыска топлива. Затем рассчитанная величина цикловой подачи топлива и другие параметры, например наддув и давление выхлопа, используются в качестве входных данных для модели сгорания в цилиндре с целью прогнозирования процесса сгорания. Следует заметить, что идентификация системы должна осуществляться заранее для обеих моделей с использованием фактических данных, полученных при стандартных условиях эксплуатации.

2.2. Модель системы впрыска топлива

В модели используется система впрыска топлива среднеоборотного судового двигателя с автономным насосом, топливопроводом высокого давления и инжектором для каждого цилиндра (см. рис. 1). В модели системы впрыска топлива все функциональные компоненты, от топливопровода на входе насоса до инжектора, принимаются в качестве упрощенных топливопроводных и механических элементов. В следующих разделах описывается разработка модели для поршня и цилиндра, нагнетательного клапана (клапана постоянного давления), топливопровода высокого давления и топливной форсунки, соответственно.

Рис. 1. Схема модели системы впрыска топлива

1) Плунжер и втулка

На рис. 2 изображены схемы физического и моделируемого расположения плунжера и втулки. Топливо, поступающее в насос по впускному топливопроводу, периодически заполняет топливный канал. Топливный канал, связанный с втулкой сообщающимся каналом и отверстиями подачи, служит буфером при подаче топлива во втулку во время такта всасывания и приемником для топлива, оставшегося в конце хода нагнетания. В модели топливный канал разделен на расположенные по окружности мелкие элементы, каждый из которых по отдельности рассматривается как общий отвод, имеющий конкретный объем, а также профили впускного и выходного отверстий. Сообщающийся канал имеет узкое сечение для управления обратным током топлива из втулки. В модели это изображено в виде отверстия в трубе, коэффициенты расхода которого отрегулированы сообразно текущей ситуации.

Рис. 2. Моделирование топливного канала и втулки насоса

Плунжер, который нагнетает топливо, толкается вверх роликом толкателя, приводимым в движение кулачком вала, расположенным под насосом. В результате происходит сжатие топлива во втулке. Сбоку плунжера у данного насоса располагается отсечная кромка. Нагнетание топлива начинается после закрытия верхним краем плунжера отверстия подачи и заканчивается после прохождения отверстием подачи нижней поверхности отсечной кромки, при этом в отсечной кромке образуется сообщающийся канал между топливным каналом и топливным трактом. Такой механизм нагнетания означает, что объем впрыска топлива можно регулировать поворотом плунжера, изменяя тем самым полезную длину хода нагнетания плунжера. В модели эта операция отражена изменением полезной площади загрузочного отверстия сообщающегося канала при подъеме плунжера, по отдельности для начала и конца нагнетания. Кроме того, полезный ход нагнетания плунжера выражался путем корректировки промежутка между началом и концом нагнетания, совпадая с фактическим объемом впрыска топлива.

2) Нагнетательный клапан (клапан постоянного давления)

Сжатое во втулке топливо поступает через нагнетательный клапан в трубопровод высокого давления. Задача нагнетательного клапана состоит в поддержании необходимого (остаточного) давления в топливном тракте после впрыска. В модели механические компоненты нагнетательного клапана (сам нагнетательный клапан, клапанные пружины и шаровой клапан), изображенные на рис. 3, отражены моделями механических элементов соответствующего функционала. Высота подъема нагнетательного и шарового клапанов рассчитывается с учетом давления на их верхних и нижних поверхностях, а также усилия клапанной пружины. Полезная площадь седла клапана точно выверяется, чтобы гарантировать точность калибровки высоты подъема нагнетательного клапана.

Рис. 3. Моделирование нагнетательного клапана

3) Топливопровод высокого давления

Длины и диаметры в модели топливопровода высокого давления взяты из проектных чертежей.

4) Топливная форсунка

На рис. 4 изображена модель топливной форсунки. Впрыск топлива контролируется игольчатым клапаном, расположенным вверх по потоку от отверстия сопла форсунки. Работа игольчатого клапана определяется равновесием между усилием пружины, прикладываемым к верхней части клапана, и действием давления жидкости, прикладываемым к нижней части этого клапана. В модели массы игольчатого клапана, тарелки и клапанной пружины, как и заданная жесткость пружины, определяются на основании проектных значений, а площадь нижней части игольчатого клапана, подвергающаяся воздействию давления, меняется в соответствии с подъемом клапана. Игольчатый клапан разделен на два элемента массы, соединенные с механическими элементами, такими как пружина и амортизатор, с учетом жесткости игольчатого клапана. В рассматриваемой форсунке через зазор между игольчатым клапаном и корпусом форсунки вытекает некоторое количество топлива. В модели элемент утечки установлен между топливным каналом высокого давления и выпускным топливным каналом, а зазор отрегулирован в соответствии с реальной утечкой.

Рис. 4. Моделирование форсунки

2.3. Разработка модели процесса сгорания

1) Модель процесса сгорания (DIPulse)

Рис. 5. Схематическое изображение модели процесса сгорания 

На рис. 5 показано схематическое изображение упрощенной модели прогнозирования процесса сгорания DIPulse. Модель DIPulse прогнозирует образование топливно-воздушной смеси для струи топлива, впрыснутой в цилиндр, исходя из характеристик распределения вдоль оси впрыска форсунки до окончания впрыска, без учета распределения струи в радиальном направлении. Пространство внутри камеры сгорания делится на три зоны (воздушная зона, зона смеси паров топлива и воздуха и зона отработанных газов), в каждой из которых предполагается одинаковая температура и химический состав. Во время процесса образования смеси перед воспламенением, процесс пульверизации и испарения рассчитывается исходя из скорости распыления топлива, температуры окружающего воздуха и плотности, а засасывание воздуха рассчитывается по закону количества движения. Задержка воспламенения определяется путем взятия интеграла Ливенгуда — Ву с использованием модели реакции Аррениуса, а скорость сгорания смеси, которая образуется перед воспламенением, определяется с помощью модели распространения пламени. Поскольку скорость реакции во время диффузионного горения, которое следует за возгоранием подготовленной смеси, зависит от процесса смешивания струи, то объем реакции определяют с помощью модели турбулентного смешивания. Уравнения с (1) по (4) на рис. 5 используются в DIPulse для выражения моделей образования смеси, воспламенения, возгорания подготовленной смеси и диффузионного горения, соответственно. Различные коэффициенты корректируются таким образом, чтобы кривая генерации тепла или история давления в цилиндре соответствовали экспериментальным результатам с целью установления тождества модели горения.

2) Модель прогнозирования NOx

Количество производимого NOx рассчитывается с помощью расширенного механизма Зельдовича применительно к температурам отработанного газа, полученным с помощью двухзонной модели. Константы скорости реакции (к) для элементарных реакций с (5) по (7) корректируются точно в соответствии с фактическими результатами измерений с целью установления тождества модели.


3. Верификация модели впрыска

На рис. 6 сравниваются замеры давления впрыска и результаты прогнозирования, смоделированные под разными нагрузками в режиме судового вспомогательного двигателя (режим D2). Результаты показывают точность прогноза как в отношении давления впрыска, так и падения давления, которое возникает при открытии игольчатого клапана.

Рис. 6. Верификация прогнозирования давления впрыска с помощью модели системы впрыска топлива

4. Исследование влияния свойств топлива

К основным типам топлива, используемым для судовых двигателей, относятся судовой газойль (MGO), судовое дизельное топливо (MDO) и жидкое бункерное топливо средней вязкости (IFO). Однако даже у сравнительно стабильных по качеству MGO и MDO плотность, кинематическая вязкость и характеристики воспламеняемости широко варьируются по сравнению с коммерческим дизельным топливом (дизельное топливо японского промышленного стандарта № 2)(2). Это означает, что топливо из разных портов даже при условии принадлежности к одному стандарту (например, стандарту ISO8217), все равно может отличаться по своим свойствам и создавать проблемы в виде роста эксплуатационных затрат или ухудшения состава отработанных газов. Влияние плотности, одного из свойств топлива, на эффективность сгорания оценивается с помощью модели сгорания на примере судового дизельного двигателя, работающего на MDO.

4.1. Влияние плотности топлива на величину цикловой подачи

На рис. 7 показано сравнение давления и величины цикловой подачи при одинаковых режимах работы насоса и при колебании плотности топлива между 800 и 900 кг/м3. Рост массового расхода при большей плотности топлива увеличивает максимальную величину цикловой подачи и уменьшает ее длительность.

Рис. 7. Давление и величина цикловой подачи при различной плотности топлива

4.2. Влияние плотности топлива на процесс сгорания

На рис. 8 показана оценка результатов процесса сгорания исходя из описанных выше спрогнозированных величин цикловой подачи. Они демонстрируют получение более турбулентной смеси с более высокой плотностью топлива и одновременный рост генерации тепла в основном цикле сгорания. На рис. 9 показано максимальное давление в цилиндре (Pmax), концентрация NOx и расход топлива, спрогнозированные в условиях изменения плотности топлива, и реальные результаты измерений, полученные в ходе испытаний двигателя с использованием дизельного топлива японского промышленного стандарта № 2 и тяжелого дизельного топлива A. Из-за различий между разнообразными свойствами дизельного и тяжелого дизельного топлива — не только плотности, но и кинематической вязкости, фракционного состава, низшей теплотворной способности и цетанового числа — сложно говорить о непосредственном влиянии плотности лишь на основе этих результатов. Однако учитывая, что они ориентировочно указывают на одну и ту же качественную тенденцию, описанная здесь схема может в некоторой степени использоваться для оценки влияния свойств топлива. В будущем компания Yanmar намеревается не только прояснить влияние свойств топлива на эффективность сгорания, повысив точность моделей и проведя анализ влияния каждого из параметров свойств топлива, но и включить в модель атмосферные условия, чтобы помочь в разработке технологии обеспечения надежной производительности в широком диапазоне различных условий эксплуатации.

Рис. 8. Профили сгорания при различной плотности топлива

Рис. 9. Результаты верификации моделей прогнозирования процесса сгорания

5. Заключение

Такие факторы, как тенденция к дальнейшей электрификации в Японии и других странах, более строгое законодательство в области выбросов и колебания цен на нефть ведут к тяжелому будущему двигателей внутреннего сгорания. При этом важно создавать оптимальные силовые машины с максимальной ценностью для клиентов, получаемой за период эксплуатации (LCV), при соблюдении требований к защите окружающей среды. Тем временем компания Yanmar в плановом порядке продолжает разрабатывать технологию в надежде на то, что общество сможет извлечь пользу из преимуществ использования двигателей внутреннего сгорания, долгое время проектируемых с целью достижения более высокого термического КПД и получения более чистых выбросов в более широком диапазоне условий эксплуатации. Компания Yanmar надеется приблизить «надежное будущее» за счет множества различных технологических разработок, включая раскрытые в настоящей статье.
В заключение автор хотел бы выразить признательность за существенную помощь в исследовании компании, IDAJ Co., Ltd. и Сатоми Ихори из центра научных исследований и опытно-конструкторских разработок.


6. Литература

1) Ясухиро Отаки, Introduction and Applications of One-Dimensional Engine Simulation Tools — журнал Японского института судового машиностроения, № 44-3 (2009).

2) Effect of Stringent IMO SOx Regulations on Marine Fuel (1), отчет JPEC, № 17 (2015).

-ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ-

Исходный технический отчет написан на японском языке.

Настоящий документ был переведен отделом управления научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками.


Автор

Центр научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок

Го Асаи

Двигатель внутреннего сгорания - Energy Education

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

Закон идеального газа

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

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

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

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

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

Двигатель четырехтактный

главная
Рис. 2. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

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

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

Двухтактный двигатель

главная
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

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

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

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

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

Для дальнейшего чтения

Список литературы

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

Двигатель внутреннего сгорания - Energy Education

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

Закон идеального газа

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

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

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

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

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

Двигатель четырехтактный

главная
Рис. 2. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

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

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

Двухтактный двигатель

главная
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

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

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

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

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

Для дальнейшего чтения

Список литературы

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

Двигатель внутреннего сгорания - Energy Education

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

Закон идеального газа

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

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

Поршни и турбины

Рисунок 1. Схема газотурбинного двигателя. [3]

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

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

Двигатель четырехтактный

главная
Рис. 2. 4-х тактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [4]

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

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

Двухтактный двигатель

главная
Рис. 3. 2-тактный двигатель внутреннего сгорания [5]

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

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

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная
Рисунок 4. Цикл роторного двигателя. Он всасывает воздух / топливо, сжимает его, воспламеняется, обеспечивая полезную работу, а затем выпускает газ. [7]

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

Для дальнейшего чтения

Список литературы

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

Двигатель внутреннего сгорания - обзор

Первые разработки

Развитие транспортного биотоплива идет рука об руку с изобретением двигателя внутреннего сгорания.Считается, что его прототип был впервые концептуализирован американским изобретателем Сэмюэлем Мори (1762–1843) в начале 19 века (Коварик, 1998). Однако только в начале 1860-х годов немецкий изобретатель Николаус Август Отто (1832–1891) в сотрудничестве с механиком Майклом Джозефом Зонс разработал первую четырехтактную версию двигателя внутреннего сгорания, широко известную сегодня как искровое зажигание ( или бензиновый) двигатель, или просто двигатель Отто (Коварик, 1998). Другой вариант двигателя внутреннего сгорания, двигатель с воспламенением от сжатия, был разработан несколькими десятилетиями позже немецким изобретателем Рудольфом Дизелем (1858–1913).Этот дизельный двигатель до сих пор носит имя своего изобретателя (Коварик, 1998).

Хотя сегодня двигатели внутреннего сгорания используют продукты на нефтяной основе для питания транспортных средств, изначально они были разработаны для использования биотоплива, такого как этанол. Отто разработал свой двигатель в сотрудничестве с Ойгеном Лангеном (1833–1895 гг.), Немецким изобретателем и предпринимателем, который также владел сахарным заводом. Это заставляет многих думать, что Отто использовал этанол в качестве основного топлива. Точно так же Дизель тестировал в своем двигателе различные виды топлива, включая этанол и биодизель.Фактически, на одной из первых демонстраций Дизеля на Всемирной выставке в Париже в 1897 году дизельный двигатель работал на арахисовом масле (Biofuels, 2018). Хотя из-за высокого содержания воды и более низкого энергосодержания потребовалось несколько регулировок для работы двигателей внутреннего сгорания на этаноле в течение длительного периода времени, все испытания, проведенные Diesel, продемонстрировали возможность его использования с выходом энергии, идентичным топливо на основе нефти (Коварик, 1998). Это соответствовало большинству других исследований этанола в качестве моторного топлива, которые продемонстрировали либо удовлетворительные, либо даже превосходные характеристики этанола по сравнению с топливом на нефтяной основе (Kovarik, 1998).

Первоначальная конструкция двигателя внутреннего сгорания для биотоплива была обусловлена ​​тем, что это был самый популярный вид топлива, и в то время никто не мог подумать о том, чтобы маркировать биотопливо как «новое» или «альтернативное». Например, этанол в качестве топлива для освещения уже тогда широко использовался во всем мире, в то время как нефть, впервые обнаруженная в Пенсильвании (США) в 1859 году, только появлялась в качестве источника энергии (Коварик, 1998). Коммерческое использование этанола в качестве «обычного» моторного топлива стало жертвой недальновидных политических и экономических решений в Соединенных Штатах.Чтобы собрать деньги на войну, во время Гражданской войны в США (1861–1865 гг.) На этанол был введен налог в размере 2,08 доллара за галлон. Этанол стал слишком дорогим, и его производство резко сократилось, что способствовало развитию нефтяной промышленности США, поскольку последняя извлекала выгоду из того, что не облагалась этим налогом.

Когда в 1906 году налог на этанол был отменен, в Соединенных Штатах были предприняты отдельные попытки коммерциализировать этанол и топливные смеси на основе нефти. Наиболее ярким примером этих усилий стало движение сельскохозяйственных химиков 1930-х годов, целью которого было содействие производству промышленных продуктов из сельскохозяйственного сырья (Hale, 1934).Движение поддержали некоторые промышленники. Например, оригинальный автомобиль Генри Форда (1863–1947) (так называемая Модель Т), построенный в то время, был разработан для работы на этаноле (New York Times, 1925). Однако эти усилия были встречены противодействием нефтяной промышленности, которая лоббировала возрождение этанола и его использования в топливных смесях с нефтью. Из-за сильного лоббирования отрасли законодательные предложения по продвижению этанола в качестве моторного топлива не увенчались успехом. Негативную роль сыграло и начало сухого закона в 1919 году.Хотя этанол в этот период все еще можно было использовать в транспортных средствах в смеси с нефтью (Управление энергетической информации, 2017), производство этанола в качестве моторного топлива было остановлено из-за отсутствия спроса. После отмены сухого закона в 1933 году производство этанола в США возродилось, но только для того, чтобы в значительной степени удовлетворить быстро растущий рыночный спрос на давно запрещенные алкогольные напитки. В результате выросла национальная и глобальная зависимость от транспортного топлива на нефтяной основе.

Еще одним важным фактором, способствовавшим снижению популярности этанола в качестве транспортного топлива в Соединенных Штатах, было открытие положительного влияния свинца на характеристики двигателя внутреннего сгорания в 1920-х годах.Чтобы уменьшить детонацию двигателя, этанол можно смешивать с топливом на нефтяной основе; однако два промышленных исследователя, Томас Мидгли (1889–1944) и Чарльз Кеттеринг (1876–1958), обнаружили, как тетраэтилсвинец может быть использован для тех же целей (Коварик, 1998). Исследования воздействия этилированного транспортного топлива на здоровье не обсуждались или прекращались в то время, что в сочетании с производственными ограничениями, введенными запретом, привело к полной замене этанола тетраэтилсвинцом в моторном топливе.Только в 1980–90-х годах негативные последствия использования этилированного транспортного топлива для здоровья были клинически доказаны и поэтому получили политическое признание, а тетраэтилсвинец был запрещен в качестве топливной добавки в развитых странах (Loefgren and Hammar, 2000).

В отличие от Соединенных Штатов, (известные в то время) запасы нефти в Европе были ограничены, что вызвало политическую озабоченность по поводу надежности ее поставок в качестве топлива. В результате такие страны, как Франция, Германия и Великобритания, начали продвигать использование этанола на транспорте.Двигатели были разработаны для работы на смеси этанола и топлива на основе нефти, а некоторые двигатели даже были разработаны для работы на чистом этаноле. В Европе этанол получали из картофеля и винограда в качестве основного сырья, в то время как в других странах мира сахарный тростник и патока представляли собой еще одно важное сырье в то время (Коварик, 1998). Использование этанола в качестве транспортного топлива поощрялось политически и с помощью налоговых льгот. В Германии, например, на нефть были введены специальные импортные пошлины, и специализированная организация, Centrale für Spiritus-Verwerthung, отвечала за регулирование национального рынка этанола, в том числе для производства транспортного топлива (Kovarik, 1998).Некоторые ученые считают, что политическая поддержка использования этанола на транспорте в Германии могла продлить Первую мировую войну, поскольку (сэкономленные) запасы нефти использовались в военных целях (Kovarik, 1998). Несмотря на более высокую популярность, чем в США, этанол не стал «обычным» транспортным топливом в Европе в межвоенный период. Частично это было связано с быстрым снижением затрат на производство топлива на основе нефти, но также и потому, что подготовка ко Второй мировой войне перенаправила традиционное этанольное сырье на производство военных материалов (Коварик, 1998).

Во время Второй мировой войны спрос на биотопливо снова увеличился, поскольку ископаемое топливо стало менее распространенным (Biofuels, 2018). Однако этот спрос длился недолго, и послевоенное восстановление мировой экономики явилось основным фактором, уменьшившим роль биотоплива на транспорте. Поскольку нефть была доступна в изобилии и дешево, промышленные и академические исследования технологии биотоплива в то время в значительной степени бездействовали. Именно топливный кризис 1970–80-х годов и более жесткие стандарты выбросов и экономии топлива, введенные в 1990-х годах, вернули к жизни общественный интерес к биотопливу (Biofuels, 2018; Lee and Mo, 2011).С тех пор соответствующая программа исследований неуклонно развивается, и регулярно публикуются исследования по различным аспектам использования технологии биотоплива на транспорте, включая экономику производства, усовершенствования конструкции двигателей и отношение потребителей (Xu and Boeing, 2013). Сегодня биотопливо представляет собой важную тему в международном политическом и исследовательском дискурсе, учитывая значительную роль, которую они, как ожидается, будут играть в удовлетворении будущего глобального спроса на энергию и в сокращении углеродного следа при производстве энергии.

Разработка и применение новых систем сгорания для двигателей внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие струи с стенкой, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном итоге, на характеристики двигателя и характеристики выбросов. Итак, система сгорания двигателя, включая конструкцию ГБЦ, топливную форсунку ...

В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие струи с стенкой, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном итоге, на характеристики двигателя и характеристики выбросов.Таким образом, система сгорания двигателя, включая конструкцию головки блока цилиндров, параметры топливной форсунки, конфигурацию форкамеры и форму чаши поршня, должна быть оптимизирована, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать выбросы загрязняющих веществ.
Разработка и оптимизация систем сгорания основаны на моделировании системного уровня для установления граничных условий; он включает в себя как моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), так и испытания двигателя. Для заданного набора проектных параметров системы сгорания и для заданных условий эксплуатации CFD-моделирование предсказывает такие аспекты рабочего цикла, как КПД или выбросы загрязняющих веществ.Все более мощные компьютерные кластеры и даже суперкомпьютеры могут оценивать множество комбинаций проектных параметров при любом количестве рабочих условий. Методы оптимизации включают, помимо прочего, разработку экспериментов, генетические алгоритмы и общие методы машинного обучения. Наиболее многообещающие конструкции дорабатываются с экспериментами с двигателями для реализации ожидаемого потенциала эффективности.

Хотя моделирование CFD является бесценным инструментом и успешно способствовало разработке экологически чистых и эффективных двигателей, неясно, как продолжение текущих практик может привести к дальнейшим улучшениям в конструкции системы сгорания.Например, несколько аспектов конструкции системы сгорания могут влиять на поток в цилиндре, и часто оптимум достигается без понимания того, были ли геометрия или другие конструктивные особенности ответственны за полезные улучшения потока. В более широком смысле, физические механизмы, которые отличают успешный набор геометрических параметров от неудачного, недостаточно изучены, и очень большие объемы результатов моделирования CFD редко используются для обеспечения этого понимания. Кроме того, передовые стратегии сгорания, такие как воспламенение бензина от сжатия и сгорание в камере, показали потенциал для чистого и эффективного сгорания.Разработка геометрии поршня для таких концепций двигателей находится в зачаточном состоянии, поэтому потенциал для улучшения может быть относительно большим. Текущая тема исследований сосредоточена на улучшенных конструкциях систем сгорания и новых подходах к их разработке и оптимизации для снижения расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ для различных концепций сгорания двигателей.

Вклады в эту тему исследования включают рукописи, описывающие достижения в проектировании систем сгорания как для обычных, так и для усовершенствованных режимов сгорания как для обычных, так и для альтернативных архитектур двигателей.К ним относятся:
• Новые подходы или алгоритмы для проектирования и оптимизации геометрии портов, параметров форсунок топливных форсунок, конфигураций форкамеров и формы корпуса поршня
• Экспериментальные и / или численные исследования новых конструкций систем сгорания и их влияния на эффективность и выбросы

Изображение на обложке предоставлено: д-р Анки Чжан из Aramco Americas, Исследовательский центр Aramco - Детройт.

Тематический редактор Юаньцзян Пей работает в компании Aramco Americas.Все остальные тематические редакторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов в отношении темы исследования.

Ключевые слова : Двигатели внутреннего сгорания, система сгорания, оптимизация конструкции, вычислительная гидродинамика, движение воздуха

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки объема, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

(PDF) Применение природного газа для двигателей внутреннего сгорания

Применение природного газа для двигателей внутреннего сгорания 477

Кубеш, Джон. Т .; Поднар, Даниэль. Дж. (1998). Сверхнизкие выбросы и высокая эффективность от дорожного газового двигателя

. Бумага SAE 981394.

Лино, Паоло.; Майоне, Бруно .; Аморез, Клаудио. (2008). Моделирование и прогнозирующий контроль

новой системы впрыска для двигателей, работающих на сжатом природном газе. Control Engineering

Практика

, 2008. 16 (10): 1216-1230.

Mbarawa, M .; Milton, B.E .; Кейси, Р. (2001). Эксперименты и моделирование горения природного газа

, воспламененного пилотной струей дизельного топлива. Int. J. Therm. Sci. 40: 927–

936.

Oullette, P .; Mtui, P.L .; Хилл, П. (1998). Численное моделирование природного газа

с прямым впрыском и пилотного дизельного топлива в двухтактном двигателе с воспламенением от сжатия.Состояние

Технологии альтернативного топлива. SAE Paper 981400.

Ouellette, Patric. (2000). Прямой впрыск под высоким давлением (HPDI) природного газа в дизельные двигатели

. Материалы конференции ANGVA 2000. Иокогама.

Pischinger, S .; Umierski, M .; Хюхтеброк, Б. (2003). Новые концепции КПГ для легковых автомобилей

: двигатели с высоким крутящим моментом и превосходным расходом топлива. Бумага SAE. 2003-01-

2264.

Poulton, M.L. (1994). Альтернативные виды топлива для дорожных транспортных средств, вычислительная механика

Публикация, Лондон.

Рен, В. и Саяр, Х. (2001). Влияние геометрии форсунки на распыление струи и формы

для форсунки порта. Бумага SAE. 2001-01-0608.

Sera, M.A .; Bakar, R.A .; Леонг, С. (2003) Стратегия улучшения характеристик двигателя КПГ

за счет усовершенствованной системы впуска. Бумага SAE. 2003-01-1937.

Shashikantha .; Парих, П. (1999). Газовый двигатель с искровым зажиганием и специальный двигатель

, работающий на сжатом природном газе. Разработка технологии и экспериментальная оптимизация производительности

.Документ SAE, 1999-01-3515.

Shiga, S .; Озон, S .; Machacon, H. T. C .; Карасава, Т. (2002). Исследование характеристик сгорания

и характеристик выбросов при прямом нагнетании сжатого природного газа

Стратифицированное горение с использованием машины быстрого сжатия, горения и пламени

129: 1–10.

Suga, T .; Muraishi, T .; Brachmann, T .; Ятабэ, Ф. (2000). Потенциал автомобиля, работающего на природном газе, составляет

EEV. Бумага SAE. 2000-01-1863.

Тилагоне, Р.; Monnier, G .; Chaouche, A .; Багуелин Ю. и Шоверон Д.С. (1996).

Разработка высокоэффективного автобусного двигателя SI-CNG с низким уровнем выбросов. Бумага SAE.

961080.

Vermiglio. E; Jenskins, T .; Kleliszewski, M .; Лапец, Дж .; Повингер, Б .; Willey, R .; Herber, J .;

Сахутское, К .; Блю, М., и Кларк, Р. (1997). Ford’s SULEV, выделенный на природный газ

Грузовики. Бумага SAE. 971662.

Ван Д. Э. и Уотсон Х. С. (2000). Сжигание сжатого природного газа с прямым впрыском

и визуализация.Документ SAE 2000-01-1838.

Wayne, W. S .; Clark, N.N .; Аткинсон, К. М. (1998). Параметрическое исследование стратегий управления детонацией

для двухтопливного двигателя. Бумага SAE. 980895.

Заставнюк, Олег. (1997). Исследование явлений смешения в двухтопливном дизельном двигателе Воздух

Впускной коллектор. Магистерская диссертация. Университет Альберты.

Двигатель внутреннего сгорания и четырехтактный двигатель | Беданг Сен | Startup

Рис. 1: Двигатели внутреннего сгорания в автомобилях

Сегодня у нас есть огромные реактивные самолеты, которые могут облететь нас по всему миру за считанные часы, генераторы, которые могут эффективно вырабатывать электроэнергию в самых отдаленных местах, тракторы и насосы, которые помогают нам выращивать урожаи быстрее, и, конечно же, наши личные автомобили, чтобы кататься по шоссе.Но что сделало все это возможным? Ответ - двигатель внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания стал неотъемлемой частью каждого человека на Земле. Он предлагает относительно небольшой и легкий источник энергии, который он производит. Простая цель этих тепловых двигателей - преобразовать химическую энергию топлива в механическую, которая обычно передается на вращающийся вал.

Одним из наиболее важных применений двигателя внутреннего сгорания является автомобиль.Транспортные технологии навсегда изменились с массовым производством автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания - это двигатель, который использует взрыв топлива, называемый сгоранием, для толкания поршня внутри цилиндра. Когда поршень выталкивается из цилиндра, он вращает коленчатый вал, который вращает колеса автомобиля. Наиболее распространенным видом топлива, которое используется для этого сгорания, является бензин.

Технология, которую мы видим сегодня, является продуктом многовековой эволюции и развития, начиная с начала 16 века с Леонардо да Винчи и его раннего описания двигателя без сжатия.Однако первый экспериментальный двигатель внутреннего сгорания был создан более века спустя, в 1680 году, голландским астрономом Кристианом Гюйгенсом, применившим принцип вытягивания воды. Этот принцип был основан на том факте, что взрыв небольшого количества пороха в закрытой камере, снабженной выпускными клапанами, создавал вакуум, когда газы сгорания охлаждались. Используя цилиндр с поршнем, Гюйгенс мог перемещать его таким образом за счет внешнего атмосферного давления.

Рисунок 2: Двигатель внутреннего сгорания Ленуара

За ним последовал первый коммерчески практичный двигатель внутреннего сгорания, построенный французским инженером Этьеном Ленуаром примерно в 1859–1860 годах, на котором в качестве топлива использовался осветительный газ. Два года спустя, в 1862 году, Альфонс Бо де Роша запатентовал, но не построил четырехтактный двигатель. Всего четырнадцать лет спустя, в 1876 году, родился первый предок двигателя внутреннего сгорания, который используется сегодня. Этот подвиг совершил Николай Август Отто, которому удалось создать двигатель с гораздо более высоким КПД по сравнению с более ранними конструкциями, путем сжатия топлива перед сгоранием.Это стало известно как «цикл Отто».

Важнейшими частями цикла Отто является камера сгорания, состоящая из цилиндра. Цилиндр обычно неподвижен и закрыт с одного конца и в котором скользит плотно прилегающий поршень. Движение поршня изменяет объем камеры между закрытым концом цилиндра и внутренней поверхностью поршня. Чтобы преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение, используется шатун, чтобы прикрепить коленчатый вал к внешней поверхности поршня.На верхних поверхностях цилиндра, также называемых головкой цилиндра, вырезаны два отверстия, в которых находятся клапаны, которые работают с помощью консервного механизма. Это впускной коллектор и выпускной коллектор. В двигателе внутреннего сгорания используется топливная система, которая состоит из бака, топливного насоса и карбюратора для испарения жидкого топлива. Затем испаренное топливо проходит через впускной коллектор, а газы, образующиеся при сгорании, выводятся через выпускной коллектор.Клапаны обычно удерживаются закрытыми за счет давления пружин и открываются в нужное время во время рабочего цикла кулачками на вращающемся распределительном валу, который соединен с коленчатым валом.

Рисунок 3: Компоненты двигателя внутреннего сгорания

Смесь воздуха и паров бензина, подаваемая в цилиндр из карбюратора, воспламеняется, вызывая проскакивание искры в промежутке между электродами свечи зажигания, которая выступает через стенки цилиндра. Один электрод изолирован фарфором или слюдой; другой заземлен через металл вилки, и оба образуют часть вторичной цепи индукционной системы.

Четырехтактный цикл

Почти каждый автомобиль с бензиновым двигателем использует четырехтактный цикл сгорания для преобразования бензина в движение. Четыре такта:

1. Такт всасывания

2. Ход сжатия

3. Такт сгорания

4. Такт выпуска

Рисунок 4: Цикл четырехтактного

В первом такте, также известном как такт всасывания или Индукция, поршень перемещается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ) при открытом впускном клапане и закрытом выпускном клапане.Это создает вакуум из-за увеличения объема в камере сгорания. Разница давлений между атмосферным давлением снаружи и вакуумом внутри заставляет воздух выталкиваться в цилиндр. Затем используется карбюратор для добавления желаемого количества топлива в систему.

За этим следует такт сжатия, при котором впускной клапан закрывается, а поршень возвращается в ВМТ при закрытых всех клапанах. Это вызывает сжатие топливовоздушной смеси, повышая как давление, так и температуру в цилиндре.В конце такта сжатия сгорание инициируется зажиганием свечи зажигания. Сгорание топливовоздушной смеси происходит за очень короткий, но конечный промежуток времени, когда поршень находится в ВМТ. Сгорание изменяет состав газовой смеси на состав продуктов выхлопа и увеличивает температуру в цилиндре до очень высокого пикового значения, в результате чего давление в цилиндре повышается до очень высокого пикового значения.

Затем происходит расширение хода или мощности хода.Этот ход производит основную работу цикла. Когда все клапаны закрыты, высокое давление, создаваемое процессом сгорания, отталкивает поршень от ВМТ. Когда поршень перемещается из ВМТ в НМТ, объем цилиндра увеличивается, что приводит к падению давления и температуры. Когда поршень приближается к НМТ, выпускной клапан открывается, и газы, образующиеся при сгорании, выдуваются. Открытие выпускного клапана до НМТ снижает работу, выполняемую во время рабочего хода, но требуется из-за конечного времени, необходимого для продувки выхлопных газов.

И, наконец, последний ход - это ход выхлопа. Пока выпускной клапан остается открытым, поршень перемещается из НМТ в ВМТ, вытесняя оставшиеся выхлопные газы из цилиндра в выхлопную систему. Ближе к концу такта выпуска впускной клапан начинает открываться таким образом, что он полностью открывается к тому времени, когда поршень достигает ВМТ. Точно так же выпускной клапан начинает закрываться и полностью закрывается примерно в то время, когда поршень достигает ВМТ. Этот период, когда впускной и выпускной клапаны открыты, называется перекрытием клапанов.

Когда поршень возвращается в ВМТ, происходит следующий такт впуска, начиная цикл снова.

Engihub.com. (2019). Работа двигателя : как работает четырехтактный двигатель? . [онлайн] Доступно по адресу: https://www.engihub.com/engine-working/ [доступ 3 июня 2019 г.].

Гарден, Х., Худ, У. и Двигатели, Т. (2019). Как работают автомобильные двигатели . [онлайн] HowStuffWorks. Доступно по адресу: https://auto.howstuffworks.com/engine1.htm [доступ 3 июня 2019 г.].

Newworldencyclopedia.орг. (2018). Двигатель внутреннего сгорания - Энциклопедия Нового Света . [онлайн] Доступно по адресу: https://www.newworldencyclopedia.org/entry/Internal_combustion_engine [доступ 3 июня 2019 г.].

Scienceclarified.com. (2009). Двигатель внутреннего сгорания - корпус, бывший в употреблении, процесс, срок службы, тип, форма, энергия, газ, воздух . [онлайн] Доступно по адресу: http://www.scienceclarified.com/He-In/Internal-Combution-Engine.html [доступ 3 июня 2019 г.].

ИнфоПожалуйста. (2019). Двигатель внутреннего сгорания: Эволюция двигателя внутреннего сгорания | Информационная справка .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *