Виды двс: виды, типы и особенности ДВС

Содержание

Виды двигателей по типу топлива

Изобретение двигателей внутреннего сгорания (ДВС) можно назвать по-настоящему эпохальным событием, поскольку это устройство перевернуло весь мир, ускорив развитие человечества до невозможности. Все ключевые технологии внутреннего сгорания (на бензине и дизтопливе, а потом и газообразных смесях), которые применяются в нынешних автомобилях, были открыты в конце 19 века, либо в первой половине 20-го. С тех пор технологии видоизменялись и бесконечно улучшались, но не менялся принцип действия.

Двигатель внутреннего сгорания использует принцип преобразования энергии, выделяемой при сгорании топлива, в механическую энергию, которая и служит движущей силой автомобиля. Этот принцип построен на том, что в соединении с воздухом жидкое топливо образует смесь, которая сгорает в специальной камере.

Сгорая, эта смесь вызывает высокое давление, которое толкает поршень-вращающий вал посредством кривошипно-шатунного механизма. Далее через этот механизм механическая энергия передается на трансмиссию, а оттуда на колеса.

В легковой автомобильной промышленности применяются такие виды двигателей:

  • бензиновые;
  • дизельные;
  • газовые.

Также они классифицируются по количеству и расположению цилиндров, способу впрыскивания и формирования смеси и прочим критериям.

Чтобы осуществить запуск ДВС, бензиновые механизмы оснащены стартером – электрическим двигателем, который поворачивает коленвал. Если движитель дизельный, то в нем в качестве стартера используется вспомогательный ДВС маленьких размеров.

Бензиновые двигатели

Бензиновый ДВС – это наиболее простой в изготовлении и эксплуатации тип двигателей, который получил широчайшее распространение в легковых автомобилях. Как понятно из названия, в качестве топлива для этого механизма служит бензин. Он подается с помощью специального насоса по топливной системе через фильтры в карбюратор или инжектор, а оттуда топливная взвесь попадает в камеру сгорания, где сжимается под воздействием цилиндра и воспламеняется от искры, генерируемой свечой.

Стоит отметить, что карбюраторная схема впрыска является морально устаревшей и не соответствует современным экологическим и экономическим нормам, а потому не применяется. Вместо карбюраторов используются инжекторные системы впрыска. Они позволяют производить более тщательную дозировку, впрыск и сгорание топлива, давая больше КПД. Также это позволяет максимально уменьшить выброс продуктов сгорания в атмосферу.

Такие системы производят впрыск топливной смеси через форсунку непосредственно в цилиндр либо в специальный впускной коллектор для смеси. Также инжекторы разделяются на 2 типа:

  • механические;
  • электронные.

В механических инжекторах используются система рычагов плужерного типа, а задача по контролю подачи топливной смеси равномерно разделена между механизмом и электронным блоком управления. В электронных устройствах процесс смешения и впрыскивания топлива полностью контролируется электронным блоком управления.

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели изначально использовались в тяжелом автомобиле- и тракторостроении. Их размеры и мощность не позволяли ставить эти массивные агрегаты куда-либо, кроме шасси трактора, танка или грузовика.

Но во второй половине 50-х годов появились первые миниатюризованные дизели с конструкцией, адаптированной под установку на легковой автомобиль. С тех пор это направление в двигателестроении непрестанно развивалось, но медленно – из-за сложностей в производстве, конструировании и обслуживании легковых дизелей.

Дизельные ДВС работают на специальном дизтопливе. Они не имеют системы зажигания, поскольку топливная смесь, которая попадает в камеру сгорания через форсунки, воспламеняется под воздействием высокого давления. Температура и давление, получаемые при сгорании, вращают поршневую группу. Опускаясь, поршень, снова формирует давление и взрыв смеси, что приводит к самоподдерживающемуся процессу. Узнать больше о принципе запуска и действиях таких механизмов можно на сайте Apollo Motors.

Газовые двигатели

Такие двигатели в качестве топлива используют сжатый, сжиженный газ природного происхождения. Происхождение подобных механизмов было продиктовано растущими экологическими и экономическими требованиями.

Газовая смесь хранится под давлением в специальных баллонах, откуда, минуя испаритель, подается на редуктор, где ее давление ослабевает. Из редуктора, конструкция которого схожа с инжектором, происходит впрыск в камеру сгорания, где под воздействием искры газ воспламеняется, толкая поршень.

Большинство современных бензиновых ДВС можно переделать под использование газа, что позволяет существенно сэкономить на поездках. Наборы для перехода на газ выпускает множество производителей.

Виды и типы автомобильных двигателей

Сегодня рассмотрим различные виды двигателей. В наши дни автомобильная промышленность активно развивается. И для того чтобы автомобили определенной марки покупались, разработчики делают все возможное. С этими же целями создаются все новые виды двигателей.

Виды двигателей автомобилей

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания. Этот двигатель разработали еще в 1957 году, его изобретателем стал Фройде. Если рассматривать виды двигателей автомобиля сегодня, то данная модификация является самой распространенной. Ротор или по-другому, поршень, который имеет зубчатые колеса, вращается внутри цилиндра.
Именно такая конструкция позволила создать четырехконтактный цикл, без еще одного, дополнительного механизма распределения газа. Однако на практике, данные виды двигателей автомобиля получили распространенное применение в виде трехгранного ротора.

Если говорить о весе и размере данного двигателя, то он в несколько раз меньше, чем двигатели внутреннего сгорания, имеющую одинаковую мощность.

  • Тепловой агрегат или по-другому газовый двигатель работает по циклу Отто. Основой работы такого двигателя является постоянный объем. Отличительной чертой такого двигателя по сравнению с бензиновым, здесь необходимо более высокая степень сжатия за счет того, что октановое число больше.
  • В основном сегодня на автомобили устанавливают дизельный, поршневый или бензиновый двигатель.
  • Дизельный двигатель. Это поршневой двигатель внутреннего сгорания. Такие двигатели работают на дизельном топливе. А их основным принципом работы является сжатие и воспламенение воздуха от высокой температуры.
  • Бензиновый двигатель. Такой вид двигателя внутреннего сгорания, работает по принципу сжатой предварительно воздушно — топливной смеси, которая воспламеняться от электрической искры. Регулировкой подачи воздуха в двигатель и происходит все управление мощностью двигателя
  • Поршневой двигатель. В таком двигателе, поступательные движения поршня происходят в результате того, что тепловая энергия увеличивает газы в объеме, которые образовались в результате того, что горючее сгорело в замкнутом пространстве.

Водородный двигатель для автомобиля

По мнению очень большого количества людей, водородный двигатель для автомобиля является превосходной альтернативой дизельному и бензиновому двигателю. На сегодняшний день существует только два вида таких двигателей, но при этом они работают по совершенно разным принципам.

  • 1. Первый вид, это водородный двигатель внутреннего сгорания, он работает по аналогии бензинового двигателя.
  • 2. Второй вид, это водородный двигатель с топливными элементами. Он работает при помощи смешивания кислорода и водорода, вследствие этого электроэнергия и вырабатывается.

Водородный двигатель автомобиля внутреннего сгорания, работают точно по такому же принципу, как и все остальные двигатели внутреннего сгорания. Единственное, что для горения они используют не нефтепродукты, а водород.
Такие водородные двигатели для выработки электроэнергии и продвижения поршней, используют водород. Именно он в данной ситуации обеспечивает получение большего количества энергии и при этом без вредных выхлопных газов.
Но следует заметить, что имеются некоторые ограничения у водородного двигателя внутреннего сгорания, именно они и делают его не очень практичным. Ведь для того, чтобы из водорода получилась энергия, первый должен находиться в жидком виде, а это требует постоянного его охлаждения до очень низких температур. В свою очередь такие низкие температуры, могут деформировать не только топливный бак, но и другую часть автомобиля.

Укрепление и изоляция автомобиля существенно увеличивает стоимость производства авто, что делает его недоступным для людей, имеющих средний достаток.

Альтернативной вышеописанной модели считается модель на элементах топлива. В таком двигателе, смесь кислорода и водорода происходит внутри топливного элемента и ведет к образованию воды. Благодаря данному процессу выделяется электроэнергия, она накапливается и используется для работы двигателя.

Самые надежные двигатели легковых автомобилей

На современном автомобильном рынке представлено немалое количество автомобильных двигателей. Это и дизельные, и водородные, и газовые, и электрические, и всем привычные бензиновые автомобильные двигатели.
Многих автолюбителей при выборе автомобиля, больше всего волнует вопрос двигателя. Они изучают массу информации на тему – самые надежные двигатели легковых автомобилей для того, чтобы сделать свой правильный выбор. Однако нельзя сказать, что такой подход является правильным, и у каждого вида двигателя есть как удачные модели, так и не очень.
Кроме того, у каждого вида двигателя есть свои собственные нюансы эксплуатации. Поэтому, если вас интересует вопрос, какие самые надежные двигатели легковых автомобилей, то для того чтобы правильно изучить этот вопрос, начните с того, как вы будете эксплуатировать свой автомобиль.

Например, вам необходимо много и часто ездить между городами в различные командировки, таким образом, для вас лучшим вариантом станет дизельный двигатель. Потому что он не любит того, чтобы его часто заводили и глушили, как это происходит в городском цикле. Но надо обращать внимание на то, каким топливом вы заправляетесь, так как если автомобиль будет заправлен зимой, летним вариантом топлива, то он попросту не заведется.
Если говорить о бензиновом двигателе, то он считается все еще пока самым лучшим для городского цикла. Ему все равно сколько раз вы его будете глушить и заводить, он отлично выдерживает городские пробки, но цена на бензин в последнее время не очень радует.
Что касается газового двигателя, то такой автомобиль считается более экономичным, чем остальные, но уход за ним необходимо осуществлять особый. Кроме того очень часто в салоне ощущается запах газа.
И два последних новомодных вида двигателей, это электрический и водородный. Если о водородных двигателях у нас в стране пока мало что известно, то на электромобилях спокойно рассекают уже множество наших граждан. Недостаток такого двигателя заключается в том, что его заряда хватает на 100км, а заправок пока у нас в стране нет.

Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей

Тепловой двигатель - это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга - это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс - это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) - это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид - это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

1. Введение

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

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

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

Свойства Ацетилен Водород CNG Этанол Бензин Дизель
Формула C 2 H 2 H 2 CH 4 C 2 H 5 9 OH 3 C 4 –C 12 C 8 –C 20
Плотность (1 атм, 20 ° C (кг / м 3 )) 1.092 0,08 0,65 809,9 720–780 820–860
Температура самовоспламенения (° C) 305 572 540 363 257 254
Стехиометрическое соотношение (кг / кг) 13,2 34,3 17,2 9 14,7 14,5
Моторное октановое число 45–50 130 105 89. 7 95–97 -
Пределы воспламеняемости в воздухе (% об.) 2,5–81 4–74,5 5,3–15 3–19 1,4–7,6 0,6 –5,5
Температура адиабатического пламени (K) 2500 2400 2320 2193 2300 2200
Мин. Диаметр закалки (мм) 0,85 0,9 3,53 2.97 2,97 -
Мин. энергия воспламенения (МДж) 0,019 0,02 0,29 0,23 0,23 -
Максимальная скорость пламени (м / с) 1,5 3,5 0,42 0,61 0,5 0,3
Нижняя теплота сгорания (кДж / кг) 48,225 120,000 49,990 26,700 43.000 42,500

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

Топливо Ресурс Затраченная энергия [МДж / МДж топливо] Выбросы парниковых газов [г CO 2 / МДж]
Бензин Сырая нефть 0,18 13,8
Дизель Сырая нефть 0,20 15,4
Природный газ EU-mix NG 0.17 13,0
Импортированный НГ 7000 км 0,29 22,6
Импортированный НГ 4000 км 0,21 16,1
СПГ * 0,28 19,9
Сланцевый газ 0,10 7,8
Синтетическое из ветрового электричества 1,05 3,3
Этанол Сахар * 1,20 28. 4
Пшеница * 1,31 55,6
Другое * 1,66 41,4
Водород Природный газ * 1,10 118
Уголь * 1,45 237
Биомасса * 1,05 14,6
Электричество * 3,11 190

Таблица 2.

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

2. Ацетилен

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

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

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

Рисунок 1.

Комплексное производство карбида кальция [8].

CaCO3 + тепло → CaO + CO2E1

CaO + 3C → CaC2 + COE2

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 3.

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

* 2 CA после верхней мертвой точки

Рисунок 2.

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

Рисунок 3.

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

Рисунок 4.

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

Рисунок 5.

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

Рисунок 6.

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

Рисунок 7.

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

Нагрузка (%) Энергетический эквивалент дизельного топлива (кВт) Энергетический эквивалент ацетиленового топлива (кВт) Энергетическая доля газа (%) Энергетическая доля дизельного топлива ( %)
0 4.01 3,21 44 56
25 5,31 3,21 38 62
50 7,79 3,21 29 71
75 9,33 3,21 26 74
100 10,39 3,21 24 76

Таблица 4.

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

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

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

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

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

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

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

  • Другой метод - это производство ацетилена из карбида, как в 1940-х годах, и использование его без хранения. Этот метод требует сложной системы, как показано на рисунке 1.Утилизация остатка, называемого гидроксидом кальция, является еще одной важной проблемой бортовой топливной системы.

3. Природный газ

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

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

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

Рисунок 8.

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

Рисунок 9.

Количество газозаправочных станций в мире по годам [31].

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

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

Рис. 10.

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

Рисунок 11.

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

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

CR H 2 (%) λ = 1,0 λ = 1,15
9.6 0 2000 3620
5 2100 3825
10 1710 4185
20 1535 4225
12,5 0 2040 4410
5 1940 4200
10 2260 4520
20 2210 4695
15 0 2045 4465
5 2570 4700
10 2660 4565
20 3030 4350

Таблица 5.

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

4. Этанол

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

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

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

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

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

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

5. Водород

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

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

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

Рисунок 12.

Энергетическая плотность некоторых видов топлива [145].

Рис. 13.

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

Эксперименты, включенные в исследование на чистом водороде и бензине [61], в которых был взят рисунок 13, проводились на четырехцилиндровом, четырехтактном двигателе SI с карбюратором, имеющем степень сжатия 8,8: 1. Момент зажигания был установлен на 10 ° перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Двигатель работал в диапазоне частот от 2600 до 3800 об / мин. В экспериментальном исследовании [62] испытания проводились при частоте вращения двигателя 1400 об / мин, давлении воздуха в коллекторе 61,5 кПа, времени зажигания MBT и различных соотношениях избытка воздуха (1. 0–2,6). В этом исследовании, чтобы моделировать водород, мольное отношение водорода к кислороду было зафиксировано на уровне 2: 1 посредством регулировки продолжительности впрыска водорода и кислорода. Кроме того, в испытаниях были приняты три стандартные объемные доли кислорода в общем поступающем газе, равные 0, 2 и 4%.

6. Водородная смесь

Поскольку водород оказывает негативное воздействие на двигатель внутреннего сгорания, он используется в виде смеси, а не в чистом виде. Наиболее распространенная водородная смесь - HCNG. Смесь образована смешением природного газа.Смеси природного газа и водорода (HCNG), которые рассматриваются как альтернативные виды топлива для обычных двигателей, представляют собой смеси, созданные для объединения превосходных свойств природного газа и водорода. Существует множество исследований [63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70] с использованием углеводородного природного газа в качестве альтернативного топлива.

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

Рисунок 14.
Значения

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

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

Рис. 15.

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

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

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

Рис. 16.

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

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

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

Рис. 17.

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

Рис. 18.

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

7. Альтернативные виды топлива для новых применений ДВС

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

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

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

8. Заключение

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

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

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

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

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

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

Следовательно, каждое топливо имеет положительные и отрицательные свойства для использования в двигателях внутреннего сгорания. Существуют различия во влиянии каждого альтернативного топлива на выбросы и работу двигателя. Дальнейшие исследования могут быть выполнены для получения подходящего гибридного топлива путем сравнения этих альтернативных видов топлива для уменьшения всех выбросов и улучшения характеристик двигателя.

Сокращения

BMEP Среднее эффективное давление тормоза
BSFC Удельный расход топлива тормоза
BTE Тепловой КПД тормоза
CA BTDC Угол поворота коленвала до верхней мертвой точки
CI Двигатель с воспламенением от сжатия
COV Коэффициент вариации
CR Степень сжатия
EU Европейский Союз
HCNG смеси природного газа и водорода
ДВС Двигатель внутреннего сгорания
MBT Максимальный тормозной момент
NGV Газовые автомобили
SI Искровое зажигание
WOT широко открытая дроссельная заслонка
WTT колодец к резервуару

Двигатели внутреннего сгорания Дорожная передача

Вот и Nissan Leaf и Chevy Volt, первые участники U. S. рынок электромобилей и конечные продукты более чем 20-летних автомобильных инноваций и передовых исследований и разработок.

Экологи и защитники экологичных автомобилей - наряду с лояльными последователями государственных страховщиков, покупателей автомобилей и инженеров - провозглашают появление Leaf, Volt и других электромобилей (EV), которые появятся в ближайшие несколько лет как символы надежды на чистую энергию -эффективная транспортировка.

Время покажет, займут ли новые автомобили с батарейным питанием значительную точку опоры на рынке.Но на данный момент технология, которую электромобиль должен однажды заменить, - двигатель внутреннего сгорания (IC) - процветает и получает значительные результаты в области исследований и разработок.

Двигатель Nissan Leaf. В университетах, национальных лабораториях и корпоративных научно-исследовательских центрах инженеры и ученые проводят исследования с целью повышения эффективности конструкции и производительности двигателя внутреннего сгорания для всего диапазона транспортных средств, включая легковые автомобили, малотоннажные грузовики, внедорожники и тяжелые транспортные средства. .Исследования и разработки направлены как на искровые, так и на дизельные двигатели внутреннего сгорания, и большая часть их сосредоточена на контроле за выбросами.

«Я бы сказал, что цель и стратегия текущих исследований в области двигателей внутреннего сгорания - сократить выбросы, - сказал Сонг-Чарнг Конг, профессор инженерных наук в Университете штата Айова, Эймс, в котором находится его Лаборатория двигателей внутреннего сгорания. «Федеральные стандарты выбросов жесткие, и все производители двигателей должны соответствовать этим стандартам.«

Снижение выбросов

Двигатели IC создают загрязняющие вещества из-за несовершенного процесса сжигания бензинового топлива и его смешивания с воздухом в камерах двигателя. С 1974 года основной защитой автомобильной промышленности от загрязнения воздуха в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием является каталитический нейтрализатор, который улавливает оксид углерода и другие загрязнители и превращает их в диоксид углерода и воду, которые выбрасываются в атмосферу.

Интерьер Chevy Volt.Хотя контроль CO 2 остается проблемой для производителей двигателей, исследователи в последние годы добились определенных успехов в снижении содержания оксидов азота (NO x ) с помощью технологии воспламенения от сжатия гомогенного заряда (HCCI), процесса, который включает низкотемпературное сгорание. «Снижение температуры сгорания позволяет нам предварительно обработать выбросы NO x , по существу, улавливая их до того, как они попадут в каталитический нейтрализатор», - сказал Кирби Чапман, директор Лаборатории двигателей внутреннего сгорания в Университете штата Канзас.

Программы исследований по очистке дизельных двигателей в основном представляют собой стратегии последующей обработки. Юго-западный научно-исследовательский институт (SwRI) в Сан-Антонио, штат Техас, запустил Clean Diesel-V, исследовательскую программу по снижению выбросов двигателя за счет высокоэффективного сгорания, усовершенствованного наддува и систем срабатывания регулируемых клапанов. «Мы в течение 20 лет работаем над развитием технологии экологически чистых дизельных двигателей», - сказал Чарльз Робертс, инженер отдела исследований двигателей, выбросов и транспортных средств SwRI.«Мы стремимся к 50% тепловому КПД, что позволит добиться прогресса в сокращении выбросов».

Виктора Вонга, главного исследователя автомобильной лаборатории Sloan Массачусетского технологического института, воодушевляют исследования, направленные на контроль выбросов в дизельном двигателе. «За последние два года мы добились большого прогресса в разработке нового поколения катализаторов выхлопных газов для снижения выбросов в дизельном двигателе», - сказал Вонг. «Если новые катализаторы смогут справляться с выбросами, исследовательское сообщество сможет оптимизировать дизельный двигатель для повышения топливной экономичности.«

Исследователи из штата Айова выводят контроль за выбросами дизельных двигателей на новый уровень, используя двигатели на биовозобновляемых видах топлива, чтобы достичь, возможно, самого близкого к «зеленому бензину», что видела автомобильная промышленность. В процессе, называемом быстрым пиролизом, исследователи могут преобразовать твердую биомассу в своего рода бионефть, которая имеет свойства, отличные от обычного топлива на основе нефти. «Это исследование еще не завершено, - говорит Конг. «Двигатель и его соответствующие функции управления необходимо будет модернизировать и изменить характеристики для использования биовозобновляемых видов топлива.«

Инженеры из сообщества двигателей внутреннего сгорания соглашаются, что существуют практические ограничения для контроля CO 2 в системах, сжигающих углеродсодержащее топливо, и указывают на роль других исследовательских программ, направленных на повышение топливной эффективности и снижение количества выбросов CO 2 в граммах за один миля пройдена. Исследователи из таких организаций, как SwRI и Национальная лаборатория Sandia Министерства энергетики США, сотрудничают с автомобильными компаниями в области передовых технологий передачи и новых материалов для снижения веса конструкции, а также других инициатив, направленных на повышение эффективности использования топлива.

EV Вызовы

В то время как исследования двигателей IC прогрессируют, многие люди делают ставку на то, что электромобили могут создать процветающий рынок, а внедрение Volt and Leaf представляет собой шаг в направлении сокращения выбросов углерода в транспортном секторе. Тем не менее, электромобиль должен преодолеть непреодолимые препятствия в плане стоимости и производительности, чтобы завоевать массовую популярность. Стоимость аккумулятора для электромобиля составляет от 10 000 до 15 000 долларов, и это для источника питания с запасом хода всего около 55 миль.Учитывая ограниченный диапазон, аккумуляторы потребуют частой подзарядки, что затруднительно для автомобилиста, отваживающегося далеко от дома, поскольку инфраструктуры для обслуживания электромобилей еще не существует.

Пока производство электромобилей не сможет преодолеть эти проблемы, похоже, проверенный двигатель внутреннего сгорания, по крайней мере, в ближайшие несколько лет, не будет заменять хромированные бамперы и хвостовые плавники.

За последние два года мы добились большого прогресса в разработке нового поколения катализаторов выхлопных газов для снижения выбросов в дизельном двигателе. Виктор Вонг, главный научный сотрудник автомобильной лаборатории Sloan, Массачусетский технологический институт. Основы работы с двигателем

Основы работы с двигателем

Ханну Яэскеляйнен, Магди К. Хаир

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Аннотация : Поршневые двигатели внутреннего сгорания - подкласс тепловых двигателей - могут работать в четырех- и двухтактных циклах.В каждом случае двигатель может быть оборудован системой сгорания с искровым зажиганием (SI) или с воспламенением от сжатия (CI). Возможен ряд других классификаций двигателей на основе мобильности двигателя, применения, топлива, конфигурации и других параметров конструкции. Теоретически процесс сгорания можно моделировать, применяя законы сохранения массы и энергии к процессам в цилиндре двигателя. Основные конструктивные и рабочие параметры двигателей внутреннего сгорания включают степень сжатия, рабочий объем, зазор, выходную мощность, указанную мощность, термический КПД, указанное среднее эффективное давление, среднее эффективное давление торможения, удельный расход топлива и многое другое.

Тепловые двигатели

Определение и классификация

Тепловые двигатели - это машины преобразования энергии - они преобразуют химическую энергию топлива в работу, сжигая топливо в воздухе для производства тепла. Это тепло используется для повышения температуры и давления рабочего тела, которое затем используется для выполнения полезной работы. Тепловые двигатели можно классифицировать как:

  1. Двигатели внутреннего сгорания, или
  2. Двигатели внешнего сгорания.

Их также можно разделить на возвратно-поступательные и вращательные. В поршневых двигателях рабочая жидкость используется для линейного перемещения поршня. Затем поступательное движение обычно преобразуется во вращательное с помощью кривошипно-скользящего механизма (шатун / коленчатый вал). В роторном двигателе рабочая жидкость вращает ротор, соединенный с выходным валом.

Двигатели внутреннего сгорания

В двигателях внутреннего сгорания (ДВС) рабочее тело состоит из воздуха, топливно-воздушной смеси или продуктов сгорания самой топливно-воздушной смеси.Поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением являются, пожалуй, наиболее распространенной формой известных двигателей внутреннего сгорания. Они приводят в действие автомобили, грузовики, поезда и большинство морских судов. Они также используются во многих небольших служебных приложениях. Они могут работать на жидком топливе, таком как бензин и дизельное топливо, или на газообразном топливе, таком как природный газ и сжиженный нефтяной газ. Двумя общими подкатегориями поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением являются двухтактный и четырехтактный . Примеры роторных двигателей внутреннего сгорания включают роторный двигатель Ванкеля и газовую турбину.

Общие цели при проектировании и разработке всех тепловых двигателей включают в себя: максимизацию работы (выходную мощность), минимизацию потребления энергии и уменьшение количества загрязняющих веществ, которые могут образовываться в процессе преобразования химической энергии в работу. На рисунке 1 показаны основные узлы поршневых двигателей внутреннего сгорания. Конструкция магистрального двигателя является наиболее распространенной, хотя термин «магистральный двигатель» редко используется за пределами отрасли крупных двигателей. Конструкция крейцкопфа в настоящее время используется только в больших тихоходных двухтактных двигателях.Впускные и выпускные клапаны для простоты опущены, однако стоит отметить, что в некоторых конструкциях двухтактных двигателей используются впускные и выпускные отверстия, а не клапаны.

Рисунок 1 . Основные узлы поршневых магистральных (а) и крейцкопфных (б) двигателей

Как двух-, так и четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания может быть оборудован системой сгорания с искровым зажиганием (SI) или воспламенением от сжатия (CI).

Обычно системы с искровым зажиганием характеризуются предварительно смешанным зарядом (т.е.е. топливо и воздух смешиваются перед зажиганием) и внешний источник зажигания, такой как свеча зажигания. Предварительное смешивание может происходить во впускном коллекторе или в цилиндре. Хотя предварительно смешанный заряд имеет относительно однородное пространственное распределение воздуха и топлива в большинстве приложений, это распределение также может быть неоднородным. Возгорание инициируется искрой, и пламя распространяется по фронту наружу от места искры. Сгорание в двигателях SI считается кинетическим, потому что вся смесь воспламеняется, а скорость горения определяется тем, насколько быстро химическая реакция может поглотить эту смесь, начиная с источника воспламенения.

Обычные дизельные двигатели характеризуются впрыском топлива непосредственно в цилиндр примерно в то время, когда требуется зажигание. В результате заправка воздуха и топлива в этих двигателях очень неоднородна: одни регионы являются чрезмерно богатыми, а другие - обедненными. Между этими крайностями смесь топлива и воздуха будет существовать в различных пропорциях. При впрыске топливо испаряется в этой высокотемпературной среде и смешивается с горячим окружающим воздухом в камере сгорания.Температура испаренного топлива достигает температуры самовоспламенения и самовоспламеняется, чтобы начать процесс сгорания. Температура самовоспламенения топлива зависит от его химического состава. В отличие от системы SI, сгорание в двигателях с воспламенением от сжатия может происходить во многих точках, где соотношение воздух-топливо и температура могут поддерживать этот процесс. Говорят, что основная часть процесса сгорания в двигателях с ХИ регулируется смешением, потому что скорость регулируется образованием воспламеняющихся смесей воздуха и топлива в камере сгорания.

В некоторых случаях различие между модулями SI и CI может быть нечетким. В связи с необходимостью снижения выбросов и расхода топлива были разработаны системы сгорания, которые могут использовать некоторые особенности двигателей SI и CI; например, самовозгорание предварительно смешанных смесей бензина, дизельного топлива или их смеси.

Газовые турбины, рис. 2, являются еще одним примером двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением, сгорание происходит отдельно в специальной камере сгорания.

Рисунок 2 . Микрогазовая турбина для расширителей диапазона в транспортных средствах средней и большой грузоподъемности

(Источник: Wrightspeed Inc.)

Двигатели внешнего сгорания

В двигателях внешнего сгорания рабочее тело полностью отделено от топливовоздушной смеси. Тепло от продуктов сгорания передается рабочему телу через стенки теплообменника. Паровая машина - хорошо известный пример двигателя внешнего сгорания.

Примером поршневого двигателя внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, в котором тепло добавляется к рабочему телу при высокой температуре и отводится при низкой температуре. Тепло, добавляемое к рабочему телу, может быть получено практически от любого источника тепла, такого как сжигание ископаемого топлива, дерева или любого другого органического материала.

Цикл Ренкина, на котором основаны многие конструкции паровых двигателей, является еще одним примером двигателя внешнего сгорания. Тепло, поступающее от внешнего источника, повышает температуру жидкости, такой как вода, до тех пор, пока она не превратится в пар, который используется для перемещения поршня или вращения турбины.Паровые двигатели приводили в движение автомобили в США с 1900 по 1916 год; однако к 1924 году они почти исчезли. Паровые грузовики были популярны в Англии до середины 1930-х годов. В то время как паровые локомотивы во многих странах постепенно заменялись тепловозами на протяжении большей части 20 -го -го века, некоторые из них оставались в эксплуатации до 21 -го и -го века. Причины отказа от парового двигателя в качестве основного двигателя в мобильных приложениях заключались в размере и количестве основных компонентов, необходимых для их работы, таких как печь, котел, турбина, клапаны, а также их сложных элементов управления [422] . Паровая турбина, которая до сих пор работает на многих стационарных электростанциях, является примером роторного двигателя внешнего сгорания.

В 21 - годах акцент на повышении эффективности двигателей вызвал новый интерес к циклу Ренкина для мобильных приложений - в форме рекуперации отработанного тепла (WHR). В то время как в некоторых из этих устройств используется пар, в других используются органические жидкости, которые лучше подходят для применений с относительно низкой температурой выхлопных газов транспортных средств. Из-за комбинации цикла Ренкина и органической рабочей жидкости эти системы часто называют системами рекуперации отходящего тепла с органическим циклом Ренкина (ORC).

###

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *