Устройство двигателя внутреннего сгорания с картинками: Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания (18

Содержание

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания (18

Для того, чтобы понять принцип работы двигателя, нужно иметь некоторые представления о самом двигателе и его строении. Давайте разберемся со всем более подробно:
Смотрите также: Вся правда о полном приводе

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.




Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.



Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.


Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.

Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.


Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).
Первый такт - такт впуска


Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.


Второй такт - такт сжатия


Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.


Третий такт - рабочий ход


Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.


Четвертый такт - такт выпуска


Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.


После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Газораспределительный механизм


Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.

Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.


Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.


Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.
Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.


Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.

Кривошипно-шатунный механизм


Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.




Устройство КШМ
Поршень


Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.


Шатун


Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.


Коленчатый вал


Изготовленный из стали или чугуна высокой прочности коленчатый вал состоит из шатунных и коренных шеек, соединенных щеками и вращающихся в подшипниках скольжения. Щеки создают противовес шатунным шейкам. Основная функция коленчатого вала состоит в получении усилия от шатуна для преобразования его в крутящий момент. Внутри щек и шеек вала предусмотрены отверстия для подачи под давлением масла системой смазки двигателя.


Маховик


Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.


Блок и головка цилиндров


Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.


В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.
Источник: autoustroistvo.ru

Устройство двигателя — проверь свои знания — журнал За рулем

Хорошо ли вы представляете себе устройство двигателей? Закрепите свои знания, ответив на наши вопросы.

Материалы по теме

Современный человек, как правило, слабо представляет себе устройство техники, которой ежедневно пользуется. Но в армии потребителей хватает желающих разобраться, как «это» работает. Причем не с точки зрения практической выгоды — просто ради интереса! Вот почему предлагаемые нами «двигательные» вопросы должны привлечь внимание читателей разного возраста — от учащихся до пенсионеров.

Задания мы расположили в порядке возрастания сложности. Подробные ответы, как обычно, размещены в конце материала. Заметим, что все затронутые темы в разное время освещались на наших страницах. Удачи на дорогах и в теории!

1.

За сколько ходов поршня между верхней и нижней мертвыми точками осуществляется один такт в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания?

А — за один

Б — за два

В — за четыре

Г — возможны любые варианты — в зависимости от конструкции двигателя

2.

Чем нельзя приводить в движение газораспределительный механизм?

А — зубчатой передачей

Б — зубчатым ремнем

В — цепью

Г — поликлиновым ремнем

3.

Для чего на жигулевских моторах использовали навивку двух клапанных пружин во взаимно противоположных направлениях?

А — для уменьшения габаритов

Б — для увеличения усилия

В — чтобы в случае поломки одной пружины ее обломки не заклинивали другую

Г — для уменьшения инерции механизма

4.

Какая деталь выполняет в дизельном и бензиновом двигателях принципиально разные задачи?

А — форсунка

Б — свеча

В — топливный насос высокого давления

Г — турбокомпрессор

5.

Какой датчик не используется электронным блоком управления при расчете параметров управления двигателем?

А — датчик температуры наружного воздуха

Б — датчик положения дроссельной заслонки

В — датчик детонации

Г — датчик положения распредвала

Материалы по теме

6.

Студенту на экзамене предложили увеличить рабочий объем име­ющегося двигателя с помощью увеличения только одного размера на 2 мм. Что выгоднее увеличить?

А — диаметр цилиндров

Б — ход поршней

В — высоту камер сгорания

Г — толщину прокладки под головкой блока

7.

Какая из перечисленных систем всегда вступает (или вступала) в работу при торможении двигателем?

А — ABS

Б — GPS

В — ЭПХХ

Г — ни одна из перечисленных

8.

Студенту нужно на основе 12‑цилиндрового V‑образного двигателя c углом развала 90º спроектировать отлично уравновешенный мотор вдвое меньшего объема. Какой вариант позволит ему выполнить задачу?

А — условно распилить исходный мотор вдоль оси и получить шестицилиндровый рядный мотор

Б — условно распилить исходный мотор поперек и получить шестицилиндровый V‑образный мотор

В — сделать шестицилиндровый двигатель с углом развала 120º

Г — сделать V‑образный двигатель с малым углом развала по аналогии с VW VR6

9.

Двигатель Оки часто называют половинкой от мотора ВАЗ‑2108. При этом он в чем-то сложнее «старшего брата». В частности, его поршни ходят вверх-вниз синхронно, а не по очереди. Что побудило конструкторов так поступить?

А — необходимость акустической настройки систем впуска и выпуска

Б — снижение вибраций

В — обеспечение равномерности вспышек (через каждые 360º)

Г — это неудачное решение, не имеющее разумного объяснения

Ответы и комментарии  — на следующей странице.

Мотор в будущее

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


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

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

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

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

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

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

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

Разберемся.

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

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

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

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

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

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

экспертиза

Преждевременный энтузиазм

Игорь Моржаретто, партнер аналитического агентства «Автостат», автоэксперт

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

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

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

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

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

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

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

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

брифинг

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

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

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

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

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

Коджи Нагано, автодизайнер

— Каким будет автомобиль лет через 30? 

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

     

Источник: kommersant.ru

«Жигули» на водороде: как российский автопром может завоевать мир

На пороге перехода к новому технологическому укладу на примере мирового автопрома мы наблюдаем, как стремительно меняется всё технологическое пространство: материалы, методы их формования, двигатели, топливо, системы взаимодействия компонентов и передачи управляющих воздействий... Все это вызывает серьезные изменения в производственной цепочке по всей ее длине.

Жизнь металлического кузова достигла преклонного возраста, этот материал вошёл в возраст умирания. С ним начинают отмирать и многие традиционные технологии изготовления кузова. Стальной лист, штамповка, сварка, окраска уступают место различным видам композитов, пластмасс, наноматериалам и аддитивным технологиям. Сегодня в передовых конструкциях кузовов все активнее применяется жесткий силовой каркас и образующие наружные поверхности кузова навесные детали. Применение нанотехнологий позволяет изготавливать композиты — например, из графена, которые выдерживают сжатие в 150-200 раз и восстанавливают первоначальную конфигурацию. Кузов становится практически вечным. Поврежденные детали можно перерабатывать и использовать повторно. Помимо облегчения ремонта, такая конструкция позволяет легко и быстро менять навесные детали кузова. Следовательно, обновлять цветовую гамму и вносить разнообразие во внешний вид автомобиля владелец сможет по своему желанию самостоятельно. Такие автомобили уже выпускаются серийно, и их становится все больше. Эти новые материалы и технологии с позиций экологии, загрязнения окружающей среды, проблем потепления климата, перехода к использованию возобновляемых ресурсов многократно выигрывают у традиционной технологии металлического кузова. Именно за ними будущее. Уверен, в течение 5-7 лет подобные технологии в производстве легковых автомобилей станут базовыми и все более массовыми.

Традиционный ДВС (двигатель внутреннего сгорания — прим.Forbes) также завершает свой жизненный цикл. На мировом рынке идёт активное замещение бензиновых и дизельных двигателей в легковом сегменте и легком коммерческом транспорте, прежде всего, на электромобили, затем присоединятся водородные. Конвенциями и законами многих стран (США, Канада, Австралия, Япония, ЕС) определено, что производство (а во многих странах и эксплуатация) автомобилей этих сегментов с традиционными ДВС должны быть прекращены к 2025-2030 годам. Для грузового коммерческого транспорта традиционный дизель может сохраниться ещё лет 15-20, поскольку перевозку «от порога до порога» пока никто заменить не может, но эта технология останется жить, конечно, при условии постоянного улучшения экологических, технических и экономических параметров. Следовательно, уже сейчас нужно готовить производство дизельных и газомоторных двигателей поколения Евро 7, 8...

Мы ещё не опоздали на поезд в будущее, но пора бежать на платформу изо всех сил.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания (18 фото+4 видео)

В устройстве двигателя поршень является ключевым элементом рабочего процесса. Поршень выполнен в виде металлического пустотелого стакана, расположенного сферическим дном (головка поршня) вверх. Направляющая часть поршня, иначе называемая юбкой, имеет неглубокие канавки, предназначенные для фиксации в них поршневых колец. Назначение поршневых колец – обеспечивать, во-первых, герметичность надпоршневого пространства, где при работе двигателя происходит мгновенное сгорание бензиново-воздушной смеси и образующийся расширяющийся газ не мог, обогнув юбку, устремиться под поршень. Во-вторых, кольца предотвращают попадание масла, находящегося под поршнем, в надпоршневое пространство. Таким образом, кольца в поршне выполняют функцию уплотнителей. Нижнее (нижние) поршневое кольцо называется маслосъемным, а верхнее (верхние) – компрессионным, то есть обеспечивающим высокую степень сжатия смеси.

Когда из карбюратора или инжектора внутрь цилиндра попадает топливно-воздушная или топливная смесь, она сжимается поршнем при его движении вверх и поджигается электрическим разрядом от свечи системы зажигания (в дизеле происходит самовоспламенение смеси за счет резкого сжатия). Образующиеся газы сгорания имеют значительно больший объем, чем исходная топливная смесь, и, расширяясь, резко толкают поршень вниз. Таким образом тепловая энергия топлива преобразуется в возвратно-поступательное (вверх-вниз) движение поршня в цилиндре.

Далее необходимо преобразовать это движение во вращение вала. Происходит это следующим образом: внутри юбки поршня расположен палец, на котором закрепляется верхняя часть шатуна, последний шарнирно зафиксирован на кривошипе коленчатого вала. Коленвал свободно вращается на опорных подшипниках, что расположены в картере двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня шатун начинает вращать коленвал, с которого крутящий момент передается на трансмиссию и – далее через систему шестерен – на ведущие колеса.

Технические характеристики двигателя.Характеристики двигателя При движении вверх-вниз у поршня есть два положения, которые называются мертвыми точками. Верхняя мертвая точка (ВМТ) – это момент максимального подъема головки и всего поршня вверх, после чего он начинает движение вниз; нижняя мертвая точка (НМТ) – самое нижнее положение поршня, после которого вектор направления меняется и поршень устремляется вверх. Расстояние между ВМТ и НМТ названо ходом поршня, объем верхней части цилиндра при положении поршня в ВМТ образует камеру сгорания, а максимальный объем цилиндра при положении поршня в НМТ принято называть полным объемом цилиндра. Разница между полным объемом и объемом камеры сгорания получила наименование рабочего объема цилиндра.
Суммарный рабочий объем всех цилиндров двигателя внутреннего сгорания указывается в технических характеристиках двигателя, выражается в литрах, поэтому в обиходе именуется литражом двигателя. Второй важнейшей характеристикой любого ДВС является степень сжатия (СС), определяемая как частное от деления полного объема на объем камеры сгорания. У карбюраторных двигателей СС варьирует в интервале от 6 до 14, у дизелей – от 16 до 30. Именно этот показатель, наряду с объемом двигателя, определяет его мощность, экономичность и полноту сгорания топливо-воздушной смеси, что влияет на токсичность выбросов при работе ДВС.
Мощность двигателя имеет бинарное обозначение – в лошадиных силах (л.с.) и в киловаттах (кВт). Для перевода единиц одна в другую применяется коэффициент 0,735, то есть 1 л.с. = 0,735 кВт.
Рабочий цикл четырехтактного ДВС определяется двумя оборотами коленчатого вала – по пол-оборота на такт, соответствующий одному ходу поршня. Если двигатель одноцилиндровый, то в его работе наблюдается неравномерность: резкое ускорение хода поршня при взрывном сгорании смеси и замедление его по мере приближения к НМТ и далее. Для того, чтобы эту неравномерность купировать, на валу за пределами корпуса мотора устанавливается массивный диск-маховик с большой инерционностью, благодаря чему момент вращения вала во времени становится более стабильным.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Современный автомобиль, чаше всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.
Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.
Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части. Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ).
Первый такт - такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень, всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт - такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия. После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт - рабочий ход

Третий такт – рабочий, начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.
После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз. Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт - такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной. Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан. Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.


После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически. А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

Газораспределительный механизм

Газораспределительный механизм (ГРМ) предназначен для впрыска топлива и выпуска отработанных газов в двигателях внутреннего сгорания. Сам механизм газораспределения делится на нижнеклапанный, когда распределительный вал находится в блоке цилиндров, и верхнеклапанный. Верхнеклапанный механизм подразумевает нахождение распредвала в головке блока цилиндров (ГБЦ). Существуют и альтернативные механизмы газораспределения, такие как гильзовая система ГРМ, десмодромная система и механизм с изменяемыми фазами.
Для двухтактных двигателей механизм газораспределения осуществляется при помощи впускных и выпускных окон в цилиндре. Для четырехтактных двигателей самая распространенная система верхнеклапанная, о ней и пойдет речь ниже.

Устройство ГРМ
В верхней части блока цилиндров находится ГБЦ (головка блока цилиндров) с расположенными на ней распределительным валом, клапанами, толкателями или коромыслами. Шкив привода распредвала вынесен за пределы головки блока цилиндров. Для исключения протекания моторного масла из-под клапанной крышки, на шейку распредвала устанавливается сальник. Сама клапанная крышка устанавливается на масло- бензо- стойкую прокладку. Ремень ГРМ или цепь одевается на шкив распредвала и приводится в действие шестерней коленчатого вала. Для натяжения ремня используются натяжные ролики, для цепи натяжные «башмаки». Обычно ремнем ГРМ приводится в действие помпа водяной системы охлаждения, промежуточный вал для системы зажигания и привод насоса высокого давления ТНВД (для дизельных вариантов).
С противоположной стороны распределительного вала посредством прямой передачи или при помощи ремня, могут приводиться в действие вакуумный усилитель, гидроусилитель руля или автомобильный генератор.

Распредвал представляет собой ось с проточенными на ней кулачками. Кулачки расположены по валу так, что в процессе вращения, соприкасаясь с толкателями клапанов, нажимают на них точно в соответствии с рабочими тактами двигателя.
Существуют двигатели и с двумя распредвалами (DOHC) и большим числом клапанов. Как и в первом случае, шкивы приводятся в действие одним ремнем ГРМ и цепью. Каждый распредвал закрывает один тип клапанов впускных или выпускных.
Клапан нажимается коромыслом (ранние версии двигателей) или толкателем. Различают два вида толкателей. Первый – толкатели, где зазор регулируется калибровочными шайбами, второй – гидротолкатели. Гидротолкатель смягчает удар по клапану благодаря маслу, которое находится в нем. Регулировка зазора между кулачком и верхней частью толкателя не требуется.


Принцип работы ГРМ

Весь процесс газораспределения сводится к синхронному вращению коленчатого вала и распределительного вала. А так же открыванию впускных и выпускных клапанов в определенном месте положения поршней.
Для точного расположения распредвала относительно коленвала используются установочные метки. Перед одеванием ремня газораспределительного механизма совмещаются и фиксируются метки. Затем одевается ремень, «освобождаются» шкивы, после чего ремень натягивается натяжным(и) роликами.
При открывании клапана коромыслом происходит следующее: распредвал кулачком «наезжает» на коромысло, которое нажимает на клапан, после прохождения кулачка, клапан под действием пружины закрывается. Клапаны в этом случае располагаются v-образно.
Если в двигателе применены толкатели, то распредвал находится непосредственно над толкателями, при вращении, нажимая своими кулачками на них. Преимущество такого ГРМ малые шумы, небольшая цена, ремонтопригодность.
В цепном двигателе весь процесс газораспределения тот же, только при сборке механизма, цепь одевается на вал совместно со шкивом.

Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (далее сокращенно – КШМ) – механизм двигателя. Основным назначением КШМ является преобразование возвратно-поступательных движений поршня цилиндрической формы во вращательные движения коленчатого вала в двигателе внутреннего сгорания и, наоборот.

Устройство КШМ
Поршень

Поршень имеет вид цилиндра, изготовленного из сплавов алюминия. Основная функция этой детали заключается в превращении в механическую работу изменение давления газа, или наоборот, – нагнетание давления за счет возвратно-поступательного движения.
Поршень представляет собой сложенные воедино днище, головку и юбку, которые выполняют совершенно разные функции. Днище поршня плоской, вогнутой или выпуклой формы содержит в себе камеру сгорания. Головка имеет нарезанные канавки, где размещаются поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные). Компрессионные кольца исключают прорыв газов в картер двигателя, а поршневые маслосъемные кольца способствуют удалению излишков масла на внутренних стенках цилиндра. В юбке расположены две бобышки, обеспечивающие размещение соединяющего поршень с шатуном поршневого пальца.

Изготовленный штамповкой или кованый стальной (реже – титановый) шатун имеет шарнирные соединения. Основная роль шатуна состоит в передаче поршневого усилия к коленчатому валу. Конструкция шатуна предполагает наличие верхней и нижней головки, а также стержня с двутавровым сечением. В верхней головке и бобышках находится вращающийся («плавающий») поршневой палец, а нижняя головка – разборная, позволяя, тем самым, обеспечить тесное соединение с шейкой вала. Современная технология контролируемого раскалывания нижней головки позволяет обеспечить высокую точность соединения ее частей.

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Блок и головка цилиндров

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней. Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой. Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.


В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

Конец эпохи бензоколонок? Не торопитесь

Автор фото, Dorien Monnens

Подпись к фото,

АЗС вымрут как динозавры, утверждают оптимисты. Не все, и далеко не сразу, отвечают реалисты

Бензоколонок в привычном понимании скоро не будет. Совсем. На их месте расцветут сады, вырастет пшеница или появятся парки и детские площадки.

Во всяком случае, именно так считают апологеты электрического транспорта - и надо признаться, не совсем беспочвенно: Великобритания, например, собирается запретить продажу автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) уже в 2030 году.

Похожие настроения преобладают и в Европе: Норвегия собирается запретить продажу автомобилей с ДВС с 2025 года, аналогичные планы вынашивают в Нидерландах, Дании, Швеции, Исландии, Ирландии, Словении и во Франции.

Крупнейшие европейские концерны Renault-Nissan и Volkswagen объявили, что после 2026 года новые поколения автомобилей с двигателем внутреннего сгорания не будут производиться вовсе. Volvo не производит их уже несколько лет.

Казалось бы, хозяевам АЗС и впрямь пора задуматься о новой карьере. Но действительно ли бензоколонкам угрожает неминуемая кончина?

Сколько их всего?

Оценки количества автомобилей на дорогах планеты проводятся довольно регулярно, хотя понятно, что все до последнего пересчитать не удастся. Последнее наиболее полное исследование провела Международная ассоциация автопроизводителей (OICA) в 2015 году.

Она насчитала 947 млн легковых и 335 млн коммерческих автомобилей, подавляющее количество из них - бензиновые или дизельные.

Годом ранее аналитики фирмы Navigant Research насчитали 1,2 млрд автомобилей - в своих подсчетах они не учитывали тяжелую строительную и внедорожную технику.

В прошлом году свои прогнозы опубликовали аналитики ОПЕК: по их оценкам, к 2045 году в мире будет 2,6 млрд автомобилей (430 млн из которых - электрические).

Аналитиков ОПЕК, наверное, можно заподозрить в некой предвзятости, однако и так понятно, что полтора-два миллиарда машин с ДВС в одночасье не исчезнут, как бы того ни желали экологи.

Все эти автомобили надо где-то заправлять, и уже одно это обстоятельство отодвигает неминуемую кончину АЗС в сравнительно далекое будущее.

А как же водород?

Автомобили на водородном топливе пока находятся в тени своих электрических собратьев. Причин тому несколько.

Во-первых, водород, будучи самым распространенным химическим элементом во вселенной, все еще стоит довольно дорого - примерно в 8-10 раз дороже бензина.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Водород - удобное топливо для тяжелого транспорта. Поэтому в Нидерландах придумали и испытывают трактор на водородных топливных элементах

Во-вторых, его производство весьма энергозатратное - на производство одного кубометра водорода с помощью электролиза, например, требуется 4-5 киловатт электроэнергии, и далеко не всегда она поступает из "зеленых" источников. По оценке Международного агентства по энергетике, замещение водородом всего транспортного топлива, используемого сегодня во Франции, потребовало бы производства вчетверо большего количества электроэнергии. Для электролиза требуется, в частности, платина, добыча которой тоже очень затратна и энергоемка и тоже не соответствует растущим требованиям экологов.

В-третьих, это отсутствие инфраструктуры: на сегодняшний день в мире работает всего около 450 водородных заправочных станций, четверть из которых приходится на Японию и треть - на страны Европы. Согласно оценкам американской Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии, стоимость строительства одной водородной заправочной станции варьируется от 1 до 4 миллионов долларов, в то время как оборудование для обычной АЗС обходится в среднем в 100 тысяч долларов.

В-четвертых, хранение и транспортировка водорода отнюдь не безопасны и пока тоже требуют значительных затрат.

Однако, если приглядеться, с похожими проблемами сталкивались и электромобили всего 10-15 лет назад - они стоили немалых денег, для их производства (в основном для аккумуляторов) требуются редкие металлы, добыча которых наносит немалый ущерб планете. За пределами крупных городов зарядить их было практически негде, разве что дома из розетки, электричество в которую поступало с соседней электростанции на ископаемом топливе и обходилось счастливому владельцу в копеечку.

Нельзя сказать, что все эти проблемы благополучно разрешены, однако прогресс достигнут немалый. Можно полагать, что и водородные автомобили претерпят аналогичные метаморфозы в сравнительно короткое время.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Эта только что открывшаяся заправочная станция в Антверпене может заправлять водородным топливом не только автомобили, но и автобусы, грузовики и даже суда

Приспособить уже имеющуюся углеводородную инфраструктуру для заправки водородом будет дешевле, чем создавать ее с нуля, считают эксперты.

"Водород гораздо более совместим с существующей сетью АЗС и может производиться либо на месте в крупных торговых точках путем электролиза воды и храниться в специальном резервуаре высокого давления, либо доставляться и закачиваться прямо в резервуары производителями газа", - утверждает Джефф Олдэм, глава Suresite, британской компании, которая занимается поставкой систем платежа и обработки данных и мониторингом требований охраны труда и техники безопасности на автозаправочных станциях.

Что же касается энергозатрат на производство водорода, эту проблему предполагается решить переводом его на ветряную энергию. Таким образом крупные АЗС смогут сами производить водородное топливо.

К слову, заправка машины водородом по времени сопоставима с заправкой бензином или дизелем.

Ждем-с…

Две главные претензии к электромобилям - это запас хода и время зарядки. Для жителей больших городов обе они проблемой, как правило, не являются: средняя поездка по городу обычно не превышает 20-30 км, которые современный электромобиль преодолевает без труда.

Зарядиться тоже не проблема. Количество зарядных станций в крупных городах растет как на дрожжах, к тому же всегда можно подключить электрокар к розетке у себя дома - если, конечно, вы живете не в многоэтажке.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

В большом городе этот пейзаж уже никого не удивляет. А в маленькой деревне?

Проектируются зарядные устройства, которые можно встроить в бордюр, в фонарный столб, в любое место, где проходит электрокабель, отдельные оптимисты вообще рассуждают о системах индукционной зарядки, проложенных под дорогами и заряжающих электромобиль прямо в процессе движения.

Для сельских жителей эти нововведения проблемы пока не решают. В декабре 2019 года Еврокомиссия утвердила "Зеленый пакт для Европы", по которому к 2025 году на континенте должен появиться миллион зарядных точек для электротранспорта, при том, что в 2020 году их было около 140 тысяч.

Это очень много: во всей Европе сегодня работает около 92 тысяч обычных АЗС. Однако каждая из них может заправлять одновременно несколько автомобилей (некоторые - до 20 штук за раз, не считая отдельных колонок для грузовиков), и процесс заправки занимает несколько минут.

А зарядка электромобиля - дело куда более длительное. В среднем на 50 км пробега требуется около часа времени у источника питания. Хотя системы быстрой подзарядки существуют, они сокращают срок службы аккумуляторов электрокара. И даже с их использованием время полной зарядки электромобиля все равно на порядок уступает обычному с ДВС.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

В этой маленькой норвежской деревушке АЗС - это центр цивилизации

Обе проблемы - дальности пробега и времени зарядки - решаются с помощью АЗС. Большая шоссейная заправочная станция - это обычно еще и небольшой торговый центр, и ресторанчик, и неизменный набор закусочных, а заодно еще и туалеты и душевые кабины, а часто еще и детская площадка и место для выгула домашних питомцев. Здесь вполне можно провести час-два, пока ваша машина зарядится, дети набегаются и наедятся мороженого, а сами вы немного отдохнете и, возможно, даже пообедаете.

Решение неидеальное (что делать, если вы торопитесь, а детей и собаку в дорогу взять забыли?), но все же лучше, чем никакого.

В некоторых небольших городах и деревнях автозаправки - это единственные оставшиеся торговые точки, к тому же круглосуточные. Для многих людей это настоящий спасательный круг. Им наверняка придется адаптироваться к новым реалиям, но говорить об их исчезновении в ближайшее десятилетие, как полагают неисправимые оптимисты, тоже не приходится.

Спиритические сеансы

Несколько неожиданное применение для АЗС? Пожалуй. Хотя, справедливости ради заметим, что старая заправочная станция в английском городе Лидс, которую предприимчивый хозяин по имени Джек Симпсон превратил в цветочный магазин, а заодно бар, концертный зал, ресторан и художественную галерею под названием "Книжный клуб Гайд-парка", не является постоянным местом для общения с потусторонними силами. Однако, по его словам, спиритические сеансы здесь проводились.

Автор фото, Hyde Park Book Club

Подпись к фото,

На месте "Книжного клуба Гайд-парка" более 80 лет стояла автозаправочная станция

Строго говоря, "Книжный клуб Гайд-парка" уже не является заправочной станцией. Однако общий вектор развития малых АЗС в его метаморфозе разглядеть можно. Многие малые АЗС начинают адаптироваться к новым веяниям и уделять больше внимания и площади сопутствующему бизнесу - автомойкам, торговле высококачественными продуктами на вынос, превращая заправки в круглосуточные магазины предметов первой необходимости и не только.

Очевидно, со временем на них появятся и точки зарядки электромобилей, и водородные резервуары - если эти планы не угробит очередная пандемия или экономический кризис.

Третий мир

Происходящие с АЗС метаморфозы наиболее отчетливо заметны в западном мире и в Китае, где только в мае этого года было продано более двух миллионов машин всех типов, и аналитики предсказывают, что примерно столько же электромобилей будет продано за весь 2021 год.

Электрокар (да и любой другой автомобиль на альтернативном топливе) пока что довольно дорогое удовольствие. В США, где в среднем на семью приходится 1,9 автомобиля, лишь около 2% семей имеют электрокар. В Европе - около 11%.

Похожая ситуация и в России. "Надо понимать, что электромобиль в России - это минимум второй автомобиль в семье, а скорее - третий или четвертый. То есть это продукт - в большинстве случаев для очень обеспеченной аудитории, которая может себе позволить приобретение автомобиля не из рациональных, а из эмоциональных побуждений", - считает Сергей Новосельский, член совета директоров "Объединенной Автомобильной Корпорации".

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Не для всех в России электромобиль - это роскошь. Для кого-то - и средство передвижения!

В менее богатых странах про электромобили почти не слышали, а говорить об инфраструктуре или даже о ее появлении в ближайшие годы, а то и десятилетия, не приходится. Соответственно, и АЗС здесь тоже никуда не денутся.

Похожая ситуация и в странах Персидского залива, хотя и по другим причинам: бензин (про солярку там знают только военные) стоит копейки, и электромобилям здесь приходится непросто. Хотя электрокары проникают и сюда, а в июле 2017 года свой первый в регионе салон открыла в Дубае Tesla.

Еще один твит Илона Маска

В относительно короткий срок Tesla сделалась настолько популярным автомобилем, что аналитики часто выделяют ее в отдельный класс электрокаров, отдельно от всех остальных электромобилей на батареях и гибридов (автомобилей, имеющих и ДВС, и электропривод).

"Tesla сделала электромобили модными и желанными. Превратив свои электрокары в планшеты на колесах, Tesla стала похожа на еще одну компанию, чьи товары столь популярны, что люди выстраиваются в очередь за несколько дней до их поступления в продажу", - пишет Эндрю Хокинс, автор технологического издания The Verge, намекая на продукцию Apple.

Параллели с "яблочной" продукцией напрашиваются сами собой. Faraday Future, Lucid Motors, NextEV и другие компании пытаются имитировать стратегию Илона Маска, создавая роскошные (или, в случае FF, супер-роскошные) электромобили, пытаясь создать устойчивый контингент поклонников, а вырученные деньги вложить в производство массового электромобиля для всех нас.

Теперь представьте, что Apple по тем или иным причинам разорилась. Это, разумеется, не означает кончины мобильных телефонов, планшетов и компьютеров, но вектор, по которому технологии продолжат развиваться, очевидно, изменится.

То же самое может произойти и в случае, если что-то случится с детищем Илона Маска, которое, заметим, отнюдь не приносит прибыли, хотя бы отдаленно сопоставимые с доходами Apple, - Tesla стала прибыльной лишь в прошлом году, и конкуренты наступают на пятки. (Только в апреле-мае этого года доля Tesla на рынке электромобилей сократилась с 29% до 11%).

А имея в виду склонность Маска к спонтанному использованию "Твиттера" и нервной реакции, которую это вызывает у инвесторов и американской Федеральной комиссии по ценным бумагам, такой сценарий нельзя считать совсем уж невозможным.

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Вот оно, будущее! Бензин и электричество мирно соседствуют друг с другом на заправке где-то в Исландии...

Подводя итог, можно утверждать, что в ближайшие годы и десятилетия смерть бензоколонкам не грозит. А по какому именно пути пойдет их дальнейшее развитие - водородному, электрическому, торговому - пожалуй, не так уж и важно.

Как выходец из СССР Николай Школьник изобрел самый мощный в мире двигатель

«Газета.Ru» пообщалась с создателями самого мощного в мире двигателя внутреннего сгорания. Как увеличить в разы КПД мотора, в чем отличие нового агрегата от известных роторных двигателей и в чем преимущество советского образования перед американским — в материале отдела науки.

Выходец из СССР, живущий в США, вместе с сыном изобрел, запатентовал и испытал самый мощный и эффективный в мире двигатель внутреннего сгорания. Новый мотор будет в разы превосходить существующие по КПД и уступать по массе.

В 1975 году вскоре после окончания Киевского политехнического института молодой физик Николай Школьник уехал в США, где получил научную степень и стал физиком-теоретиком — его интересовали приложения, связанные с общей и специальной теорией относительности. Поработав в области ядерной физики, молодой ученый открыл в США две компании: одну — занимающуюся программным обеспечением, вторую – разрабатывающую шагающие роботы. Позже он на десять лет занялся консультированием проблемных компаний, занимающихся техническими инновациями.

Однако как инженера Школьника постоянно волновал один вопрос — почему современные автомобильные моторы такие неэкономичные?

И действительно, несмотря на то что поршневой двигатель внутреннего сгорания человечество совершенствует уже полтора века,

КПД бензиновых моторов сегодня не превышает 25%, дизельных — порядка 40%.

Между тем сын Школьника Александр поступил в MIT и получил степень доктора в области компьютерных наук, стал специалистом в области оптимизации систем. Думая над увеличением КПД двигателя, Николай Школьник разработал собственный термодинамический цикл работы двигателя HEHC (High-efficiency hybrid cycle), который стал ключевым этапом в реализации его мечты.

«Последний раз такое происходило в 1892 году, когда Рудольф Дизель предложил новый цикл и создал свой двигатель», — пояснил в интервью «Газете.Ru» Школьник-младший.

Изобретатели остановились на роторном двигателе, принцип которого был предложен в середине XX века немецким изобретателем Феликсом Ванкелем. Идея роторного двигателя проста. В отличие от обычных поршневых моторов, в которых много вращающихся и движущихся частей, снижающих КПД, роторный двигатель Ванкеля имеет овальную камеру и вращающийся внутри нее треугольный ротор, который своим движением образует в камере различные участки, где происходит впуск, сжатие, сгорание и выпуск топлива.

close

100%

Плюсы двигателя — мощность, компактность, отсутствие вибраций. Однако, несмотря на более высокий КПД и высокие динамические характеристики, роторные двигатели за полвека не нашли широкого применения в технике. Одним из немногих примеров серийной установки стало их использование на автомобилях Mazda RX.

Слабыми местами таких моторов являлись ненадежность, связанная с низкой износостойкостью уплотнителей, благодаря которым ротор плотно примыкает к стенкам камеры, и низкая экологичность.

Уже работая в фирме LiquidPiston, основателями которой они стали, Школьники создали свою, абсолютно новую реинкарнацию идеи роторных моторов. Принципиальным в ней было то, что в двигателе Школьников не камера,

а ротор напоминает по форме орех, который вращается в треугольной камере.

Это позволило решить ряд непреодолимых проблем двигателя Ванкеля. Например, пресловутые уплотнители теперь можно делать из железа и крепить их неподвижно к стенкам камеры. При этом масло подводится прямо к ним, в то время как раньше оно добавлялось в сам воздух и, сгорая, создавало грязный выхлоп, а смазывало плохо.

Кроме того, при работе двигателя Школьников происходит так называемое изохорное горение топлива, то есть горение при постоянном объеме, что увеличивает КПД мотора.

Изобретатели создали один за другим пять моделей принципиально нового мотора, последняя из которых в июне была впервые протестирована — ее поставили на спортивный карт. Испытания оправдали все ожидания.

Миниатюрный двигатель размером со смартфон, массой менее 2 кг имеет мощность всего 3 л.с. Двигатель высокооборотистый, работает на частоте 10 тыс. об./мин., но может достигать и 14 тыс. КПД мотора составляет 20%. Это много, учитывая, что обычный поршневой мотор такого же объема в 23 «кубика» имел бы КПД лишь 12%, а поршневой мотор такой же массы дал бы всего 1 л.с.

Но главное, КПД таких моторов резко растет при увеличении их объемов.

Так, следующий двигатель Школьников будет дизельным мотором мощностью 40 л.с., при этом его КПД составит уже 45%, а это выше, чем эффективность лучших дизелей современных грузовиков.

Весить он будет всего 13 кг, притом что его поршневые аналоги такой же мощности сегодня весят под 200 кг.

Этот мотор уже планируется ставить на генератор, который будет вращать колеса дизель-электрического автомобиля. «Если же мы построим еще больший двигатель, мы можем достичь КПД в 60%», — поясняет Школьник.

В перспективе компактные, оборотистые и мощные моторы Школьников планируется использовать там, где эти свойства особенно важны — при конструировании легких дронов, ручных бензопил, газонокосилок и электрогенераторов.

Пока мотор гоняли 15 часов, однако по нормативам, чтобы пойти в производство, он должен отработать непрерывно 50 часов. При этом для автомобильной промышленности требуется надежность мотора на 100 тыс. миль пробега, что пока остается мечтой, признают конструкторы.

«Это самый экономичный, мощный двигатель не только среди роторных, но и всех двигателей внутреннего сгорания.

Это показывают наши измерения, а то, что мы получим на более крупных моторах, мы уже смоделировали на компьютерах», — радуется Школьник-младший.

То, что озвученные цифры — не фантазии изобретателей, подтверждает серьезность намерений инвесторов. Сегодня в стартап уже вложено $18 млн венчурных инвестиций, $1 млн которых дало американское агентство передовых разработок DARPA.

Интерес военных тут понятен. Дело в том, что военными США в авиации применяется в основном топливо JP-8. И военные хотят, чтобы вообще вся армейская техника работала на этом виде топлива, на котором, кстати, могут работать и дизельные моторы.

Но современные дизельные двигатели громоздки, поэтому DARPA так активно присматривается к разработке Школьников.

Александр считает, что создать столь революционный двигатель помогло отчасти образование, которое получил его отец еще в СССР. «Он думает по-другому, не так, как обычный инженер в США. Его фантазия ограничена только физикой. Если физика говорит — что-то возможно, то он верит, что это так, и лишь думает, как это можно сделать», — добавил Александр.

Сам Николай Школьник по-своему рассказывает об истории своего успеха и преимуществах советского образования.

«В США я переживал, что, имея специальность «машиностроение», я не буду иметь достаточного бэкграунда по физике и, особенно, математике.

Эти опасения оказались напрасными благодаря превосходной подготовке, которую я получил в советской школе.

Эта солидная образовательная подготовка до сих пор помогает мне здесь в нашей работе с новым роторным двигателем. С моей точки зрения, есть два больших отличия между американскими инженерами и получившими образование в России. Во-первых, американские инженеры невероятно эффективны в том, что они делают. Обычно требуется два-три русских инженера, чтобы заменить одного американского. Однако русские имеют более широкий взгляд на вещи (связанный с образованием, по крайней мере в мое время) и способность достигать целей с минимумом ресурсов, что называется, на коленке», — поделился размышлениями Николай Школьник.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания - обзор

9.3.2 Компоненты двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, используемый в подавляющем большинстве легковых автомобилей, претерпел значительные изменения за последнее столетие. Он содержит множество скользящих и роликовых контактов, все из которых рассеивают энергию и вызывают износ. Конструктору двигателя необходимо понимание трибологии, чтобы снизить эти эффекты до приемлемого уровня.

На рис. 9.16 показана конструкция типичного четырехцилиндрового бензинового (бензинового) двигателя с непосредственным впрыском; базовая конструкция дизельного двигателя очень похожа.В стандартном четырехтактном цикле движение поршня вниз при такте всасывания втягивает воздух в цилиндр; в такте сжатия вверх воздух сжимается и смешивается с топливом, впрыскиваемым под высоким давлением; химическая реакция этой топливно-воздушной смеси, инициированная искрой в бензиновом двигателе или нагревом, вызванным сжатием в дизельном (воспламенение от сжатия), сопровождается расширением образующихся горячих продуктов сгорания, которое толкает поршень вниз в рабочий ход ; и в последующем вверх такте выпуска продукты сгорания выбрасываются из цилиндра.Шатун связывает поршень с коленчатым валом, так что, когда поршень совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре, он заставляет коленчатый вал вращаться. Клапаны, скользящие по направляющим в головке блока цилиндров, контролируют впуск воздуха и выпуск выхлопных газов в нужных точках цикла; в этом примере есть два впускных клапана и два выпускных клапана на цилиндр. Клапаны открываются и закрываются за счет действия кулачков на одном или нескольких непрерывно вращающихся распределительных валах , которые воздействуют либо непосредственно на клапаны, либо опосредованно через кулачковые толкатели и коромысла, известные под общим названием распределительный вал .Другие (но далеко не все) компоненты двигателя и его вспомогательного оборудования, через которые рассеивается энергия трения, включают роликовую цепь или зубчатый ремень, который приводит в действие распределительные валы, масляные, охлаждающие и топливные насосы, уплотнения, электрический генератор, насос гидроусилителя рулевого управления, компрессор кондиционера и соответствующие приводные ремни. Внутренние компоненты двигателя смазываются маслом, которое хранится в поддоне в нижней части двигателя и циркулирует в различных областях с помощью насоса. Как обсуждалось в разделе 4.3, автомобильная смазка с полным составом, используемая в двигателе, состоит из базового масла и нескольких присадок с различными функциями, обеспечивающих эффективное смазывание во всех трибологических контактах.

Рис. 9.16. Изображение в разрезе современного 4-цилиндрового бензинового (бензинового) двигателя с непосредственным впрыском топлива

(любезно предоставлено Daimler-Benz AG)

Преобладающий источник рассеяния энергии трения в двигателе (примерно половина всей энергии) связан с поршневым цилиндром контакт. Из оставшейся мощности, рассеиваемой за счет трения, примерно одна треть может быть отнесена на клапанный механизм, а две трети - на подшипники коленчатого вала.Как показано на рис. 9.17, зазор между поршнем и цилиндром закрыт набором из (обычно) трех колец, установленных в канавках поршня, которые прижимаются к отверстию цилиндра. Чтобы снизить расход смазочного материала, вызванный прохождением масла из картера двигателя (под поршнем) вверх мимо поршня в камеру сгорания, необходимо хорошее уплотнение, но тесный контакт имеет нежелательный эффект увеличения потерь на трение. Кольцо и геометрия канавки спроектированы таким образом, что высокое давление в камере сгорания создает дополнительную радиальную силу на два верхних кольца (известных как компрессионные кольца), увеличивая их контактное давление.Осевая нагрузка на шатун приводит к боковой нагрузке поршень-цилиндр, поскольку (почти для всего цикла) ось шатуна не параллельна оси цилиндра. Осевые нагрузки меняются в зависимости от развиваемой мощности и частоты вращения двигателя, а также от положения в такте, при этом наибольшие силы возникают в ходе такта сгорания. Угол между осями шатуна и цилиндра также изменяется в зависимости от положения в ходе хода, причем наибольший угол приходится на середину хода; однако в середине хода поршня поршень также движется быстро, и смазка контакта кольцо-цилиндр может быть гидродинамической.В крайних точках хода, когда движение меняется на противоположное (так называемая верхняя мертвая точка и нижняя мертвая точка), скорость скольжения падает до нуля, и контакт подвергается смешанной смазке. Тогда толщина пленки может быть <0,2 мкм, что дает соотношение толщины пленки λ (см. Раздел 4.5) <1. Дополнительный скользящий контакт при гораздо более низком контактном давлении возникает между юбкой поршня и стенкой цилиндра, и здесь смазка гидродинамическая; есть также некоторый эффект сжатия пленки.

Рис. 9.17. Поршень в сборе и поршневое кольцо - контакты цилиндра

по Tung, S.C., McMillan, M.L., 2004. Обзор автомобильной трибологии текущих достижений и задач на будущее. Трибол. Int. 37, 517–536

Эффективная смазка, хорошее уплотнение и низкие потери на трение - все это желательно в контакте поршневое кольцо-цилиндр; Тщательное внимание к геометрии колец и канавок, материалам всех компонентов и топографии поверхности отверстия (которая часто имеет диагональный рисунок канавок, образованный процессом хонингования на плато ) - все это может сыграть роль в повышении эффективности двигателя. и уменьшение износа.Типичные материалы для поршневых колец - серый чугун или чугун с шаровидным графитом для твердых колец, а также сталь для верхних компрессионных колец и маслосъемных колец. В некоторых случаях на них наносят покрытие, например гальваническое покрытие хромом или молибден, нанесенный пламенным напылением, для уменьшения износа. Гильзы цилиндров обычно изготавливаются из серого чугуна или алюминиевого сплава, в то время как сплав алюминия и кремния является наиболее распространенным материалом поршней.

В таблице 9.1 приведены типичные трибологические параметры для бензинового двигателя, а на рис. 9.18 показана модифицированная кривая Стрибека, построенная в терминах отношения толщины пленки λ , которая указывает диапазон рабочих условий для различных компонентов двигателя.

Таблица 9.1. Типичные трибологические параметры для бензинового двигателя

Подшипник коленчатого вала Поршневое кольцо / гильза (верхнее компрессионное кольцо) Кулачок / толкатель
Минимальная толщина масляной пленки & lt; 1 мкм & lt; 0,2 мкм 0,1 мкм
Максимальная температура 180 ° C Канавка 200 ° C, гильза 120 ° C 150 ° C
Минимальная вязкость масла 2.5 мПа с 6,5 мПа с EHL
Максимальная скорость сдвига 10 8 с - 1 10 7 с - 1 10 7 с - 1
Шероховатость поверхности композитного материала ( Ra ) 0,35 мкм 0,2 мкм 0,3 мкм
Максимальное давление 60 МПа 70 МПа 600 МПа
Потери мощности ( типовая) 0.08 кВт на подшипник 0,15 кВт на кольцо 0,04 кВт на кулачок

данные Priest, M., Taylor, C.M., 2000. Трибология автомобильного двигателя - приближение к поверхности. Износ 241, 193–203

Рис. 9.18. Модифицированная диаграмма Стрибека, построенная в терминах отношения толщины пленки λ , показывающая типичные диапазоны режима смазки для различных компонентов двигателя

по Присту М., Тейлору К.М., 2000. Трибология автомобильного двигателя - приближение к поверхности.Износ 241, 193–203

Коленчатый вал поддерживается несколькими коренными подшипниками , а шатуны вращаются вокруг смещенных шатунов на подшипниках шатуна . Коленчатый вал обычно изготавливается из кованой стали или, для менее нагруженных двигателей, из чугуна с шаровидным графитом; Опорные поверхности стальных коленчатых валов обычно закалены или азотированы индукционным способом (см. раздел 7.3.2). Подшипники коленчатого вала являются примерами подшипников скольжения и представляют собой наиболее важный пример приложения с высокими напряжениями, обсуждаемого в разделе 9.2.2 выше. Хотя подшипники коленчатого вала подвергаются непрерывному вращательному движению, нагрузки на них не являются постоянными, а зависят от положения кривошипа во время цикла двигателя и различных сил на шатунах, которые зависят от мощности, вырабатываемой двигателем, и его скорости. Поэтому анализ толщины смазочной пленки и местного давления внутри подшипников является сложным. Как показано на рис. 9.18, режим смазки является преимущественно гидродинамическим, хотя может быть достигнута толщина пленки всего 1 мкм или даже меньше, что переводит контакт в смешанный режим, по крайней мере, на часть цикла.

Малый конец шатуна гибко соединяется с поршнем через полый цилиндрический поршневой палец (поршневой палец US , поршневой палец ), изготовленный из закаленной стали. Штифт может быть закреплен на шатуне и вращаться в колебательном движении в двух подшипниковых втулках внутри поршня, или, альтернативно, может быть закреплен в поршне и вращаться во втулке в шатуне, или в некоторых конструкциях может вращаться в обоих компонентах. Эти опорные подшипники с относительно низкими скоростями скольжения, высокими нагрузками и колебательным, а не постоянным вращением работают в условиях граничной или смешанной смазки.

Распределительный вал вращается в подшипниках скольжения с гидродинамической смазкой. Наиболее тяжелые условия в клапанной системе возникают в областях контакта между кулачками и их толкателями, где высокая нагрузка и сосредоточенная геометрия контакта приводят к очень высоким контактным давлениям и к эластогидродинамической смазке (EHL), как обсуждалось в разделе 4.5. Как отмечено для контактов поршень-цилиндр, трибологические условия наиболее жесткие при изменении точки контакта между кулачком и толкателем, когда скорость увлечения смазки падает до нуля.Для кулачков и сопряженных с ними компонентов требуются материалы с высоким пределом текучести, и обычно используются закаленные стали. Низкое трение и износ в контакте кулачок-толкатель зависят от присутствия в смазке модификаторов трения и противоизносных присадок (см. Раздел 4.6) и поверхностных покрытий, таких как алмазоподобный углерод (DLC - см. Раздел 7.4.3). также иногда используется для уменьшения трения в условиях плохой смазки.

Зеленая машина: переосмысление двигателей внутреннего сгорания

Зеленая машина - наша новая еженедельная колонка о последних достижениях в области экологических технологий

Земля 13 апреля 2010 г.

Хелен Найт

Разработка модернизации

(Изображение: WestEnd61 / Rex Features)

Может показаться грязным и устаревшим по сравнению с батареями, которыми питаются электромобили, но двигатель внутреннего сгорания настроен на модернизацию, которая может вдвое сократить выбросы парниковых газов.

Современные двигатели довольно неэффективны, они преобразуют только четверть энергии, содержащейся в топливе, в движение; остальные три четверти теряются в виде тепла. Поэтому предпринимаются усилия по восстановлению части этой потерянной энергии в надежде сократить потребление топлива и выбросы.

До 40 процентов потенциальной мощности двигателя теряется в его выхлопе, говорит Гай Моррис, технический директор компании Controlled Power Technologies из Лейндона, Великобритания. Компания планирует восстановить часть этой энергии, установив турбину внутри выхлопной трубы и толстой кишки; Быстро движущиеся выхлопные газы, выходящие прямо из двигателя, приводят в действие турбину, вырабатывая электричество.

Прототип устройства, установленный на большом семейном автомобиле, собирает до 6 киловатт энергии при испытаниях на треке, говорит Моррис. Он утверждает, что это может быть возвращено в аккумулятор автомобиля для питания его бортовых электрических систем, что снизит расход топлива до 15 процентов.

Супер летать

В другом месте дизайнеры стремятся уловить энергию, которую большинство автомобилей теряет при торможении. Использование этой кинетической энергии уменьшило бы нагрузку на двигатель.

Гибридные автомобили с электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания уже оснащены рекуперативными тормозами, которые вырабатывают электричество при включении.Но команда под руководством автопроизводителя Jaguar избавляется от электрического посредника с помощью системы, которая просто сохраняет нежелательную кинетическую энергию на потом.

Они разрабатывают гибридный автомобиль, оснащенный системой рекуперации кинетической энергии, аналогичной той, что использовалась в прошлом сезоне Формулы-1. У прототипа автомобиля, который должен выйти на тестовый трек в июне, есть маховик, соединенный с шестернями. Когда водитель хочет снизить скорость, маховик может использоваться для восстановления энергии вращения колес и сохранения ее в виде кинетической энергии.Когда требуется больше мощности, система работает в обратном направлении, отбирая энергию от маховика и возвращая ее на карданный вал через шестерни. Система автоматически реагирует на движения педалей газа и тормоза, таким образом сохраняя мощность без необходимости управления со стороны водителя.

Как и версия Формулы 1, механизм построен компанией Flybrid Systems, расположенной недалеко от гоночной трассы Гран-при Великобритании в Сильверстоуне.

Крис Брокбанк из партнера проекта Torotrak, базирующегося в Лейланде, Великобритания, говорит, что более 70 процентов энергии, рекуперированной системой, можно преобразовать в движущую силу для движения автомобиля.По его словам, это делает его более чем в два раза эффективнее обычных гибридных автомобилей, которые могут рекуперировать только около 30 процентов энергии торможения.

Команда утверждает, что система снизит расход топлива и выбросы парниковых газов более чем на 30 процентов по сравнению с обычными бензиновыми двигателями. Более того, в отличие от аккумуляторов, маховик не требует регулярной замены, говорит Брокбанк.

Двигатель оборотный

Но, пожалуй, наибольшую экономию эффективности можно получить, изменив форму самого двигателя.Традиционная цилиндро-поршневая конструкция, используемая в двигателях, означает, что только головка поршня создает движущую силу, поскольку она толкается вверх и вниз за счет расширения горящей топливно-воздушной смеси. Остальные 75% площади цилиндра - стенки камеры - поглощают энергию горящего топлива в виде тепла, уменьшая количество, доступное для создания движущей силы.

Это побудило компанию IRIS Engines, базирующуюся в Вашингтоне, округ Колумбия, разработать камеру сгорания, названную структурой внутренне излучающего импульса (IRIS).Стены шестиугольной камеры будут перекрываться навесными панелями; по мере того, как горящая смесь в камере расширяется, она толкает панели наружу, заставляя их вращаться на шарнирах и создавая таким образом движущую силу. Это означает, что для движения будет использоваться большая часть поверхности двигателя, - говорит генеральный директор Iris Леви Тиллеманн-Дик.

Компьютерное моделирование конструкции IRIS, проведенное консультантом по автомобильным исследованиям и разработкам AVL, базирующимся в Граце, Австрия, предполагает, что топливная эффективность должна составлять до 45 процентов, говорит он.«Наша цель - создать прототип и лицензировать двигатель, который позволит производителям автомобилей удвоить эффективность своих автомобилей и, таким образом, сократить вдвое выбросы».

Дополнительная информация по этим темам:

УКАЗАТЕЛЬ БЫСТРОСКОРОСТНОГО МНОГОЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Индикатор, заявленный как единственное известное устройство для надежного и экономичного получения составных индикаторных диаграмм, отображающих влияние мощности, смещения и нижнего контура на высокоскоростные многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания, широкая область применения для таких инструмент, способствующий развитию высокоскоростных двигателей, позволяющий точно исследовать процессы в цилиндрах двигателя, которые давно стали очевидными, поскольку обычный индикатор выходит из строя при оборотах двигателя выше 300 об. / мин.вечера. из-за инерционного воздействия на его карандашный механизм и барабан. Из-за большой потребности в получении точных индикаторных карт при высоких оборотах двигателя было решено сконструировать устройство, которое будет создавать диаграммы с небольшим или нулевым эффектом инерции для цилиндров двигателя, работающего на любой скорости, и сделать эти диаграммы доступны для анализа немедленно, без обращения к фотографическим или другим процессам.

Вкратце, стандартный индикатор малой скорости с барабаном 1½ дюйма.в диаметре напрямую соединяется стандартным штуцером с той частью устройства, внутри которой находится небольшой тарельчатый клапан, который открывается на очень небольшой интервал каждого цикла двигателя и который при открытии завершает сообщение между коллектором двигатель и индикатор. Цилиндр индикатора заполнен густым смазочным маслом, чтобы обеспечить надлежащее уплотнение для поршня индикатора и минимизировать перенос газа в цилиндр двигателя или из него во время каждого цикла двигателя.

Движение барабана контролируется струной, намотанной на шкив и соединенной с траверсой устройства, которое можно рассматривать как копию поршня двигателя, но которое перемещается только на один ход за каждые 800 ходов поршня двигателя и дает очень медленное возвратно-поступательное движение к барабану индикатора, тем самым сводя на нет эффекты инерции.Крейцкопф управляется регулируемым по длине шатуном и градуированным кривошипно-шатунным механизмом, образующим цепь, имеющую характеристики, точно такие же, как у цепи, которая управляет поршнем двигателя. Поскольку длина шатуна может изменяться, соотношение штока и его кривошипно-шатунного механизма может быть точно таким же, как соотношение между соответствующими частями двигателя. Направляющая крейцкопфа может быть отрегулирована для имитации смещения цилиндров, если такое смещение существует, и устройство можно сделать доступным для использования на всех типах двигателей внутреннего сгорания и для соотношений шатуна и кривошипа, варьирующихся от 3¾ до 1. и 5½ к 1.

Вал устройства, проходящий вертикально вверх от другого вала, приводимого в движение с частотой вращения двигателя, вращается с половинной частотой вращения двигателя. Горизонтальный вал с ручным кривошипом приводится во включенное сцепление с частотой вращения коленчатого вала 1/40. Этот горизонтальный вал приводит в движение вертикальный вал, к которому через червячную передачу прикреплен градуированный кривошипно-шатунный диск, имеющий редукцию 20: 1; Таким образом, при включенном сцеплении этот диск приводится в движение двигателем на 1/800 частоты вращения двигателя и приводит в действие шатун устройства.При выключенном сцеплении ступенчатый кривошипно-шатунный диск может приводиться в движение рукояткой в ​​любом направлении.

Включены подробные сведения и иллюстрации конструкции, применения, процедуры и эксплуатации. Индикатор успешно работает более 500 часов. тестирования и исследовательской работы в Университете штата Огайо. Составная индикаторная диаграмма, полученная в течение большого количества циклов двигателя, которые по отдельности обычно не похожи, является явным преимуществом по сравнению с чем-либо еще опробованным, поскольку диаграмма строится на глазах инженера-испытателя.

Подсистем, необходимых для управления низкотемпературными двигателями внутреннего сгорания

Хотя все стратегии двигателя LTC, перечисленные выше, различаются комбинациями подачи топлива и времени впрыска, у них есть некоторые общие атрибуты. Во-первых, , все они требуют сбора данных в реальном времени и обработки событий в цилиндрах , чтобы параметры двигателя могли быть настроены для достижения желаемых результатов. Многие двигатели LTC достигают этого с помощью датчиков давления в цилиндрах, которые точно предоставляют подробные данные о фазах сгорания, пиковом давлении, температуре и т. Д.Во-вторых, все они имеют точный контроль над подачей топлива в цилиндр . Некоторые используют системы многоимпульсного впрыска. Некоторые сочетают PFI и DI. В-третьих, , все они поддерживают некоторый контроль над температурой сгорания и фазированием , либо улавливая выхлопные газы из предыдущего цикла, либо вводя выхлопные газы обратно в цилиндр через внешний канал EGR. Наконец, , некоторые варианты LTC могут использовать свечи зажигания , чтобы помочь с началом воспламенения, особенно при высокой нагрузке.

Многие послепродажные блоки управления двигателем (ЭБУ) не предлагают силовую электронику, возможности сбора данных или скорость обработки, необходимые для управления всеми исполнительными механизмами и системами двигателя LTC. Многие исследователи используют несколько ЭБУ от разных производителей с фиксированными характеристиками для управления одним двигателем. Анализ сгорания и управление двигателем обычно выполняются в двух отдельных системах, каждая со своим собственным программным пакетом. Таким образом, время разработки может быть большим, а настройка программного обеспечения - утомительной.Используя готовые коммерческие продукты (COTS) от National Instruments, можно построить единую систему, которая выполняет анализ горения и осуществляет контроль в реальном времени над каждой из подсистем, необходимых для работы двигателя LTC. Ниже приводится объяснение того, как продукты National Instruments взаимодействуют с каждой из этих подсистем двигателя.

Анализ давления в цилиндре в реальном времени

Датчики давления

внутри цилиндра предоставляют данные, необходимые для точного анализа фазового горения, а также понимание неблагоприятных условий горения, таких как детонация и пропуски зажигания.Используя данные о давлении в цилиндре, могут быть выполнены расчеты, которые определяют пиковое давление и местоположение в градусах угла поворота коленчатого вала (CAD), максимальную скорость повышения давления и местоположение в CAD, указанное среднее эффективное давление (IMEP), чистый MEP, насосный MEP, скорость тепловыделения , массовая доля сожженного топлива (MFB) в процентах и ​​местоположение 50-процентной точки сгорания (CA50).

Рисунок 3. Датчик давления в общем цилиндре

Расчеты

MFB особенно интересны в двигателях LTC, поскольку они передают информацию о фазах сгорания - явление, которым нелегко управлять в двигателе со сложной смесью воздух / топливо / EGR и возможным косвенным управлением зажиганием.Чтобы получить точное представление о фазах сгорания внутри цилиндра, данные должны быть отобраны и обработаны очень быстро и с высокой степенью детерминизма. Один из подходов к управлению называется контролем следующего цикла. При таком подходе данные должны быть гарантированы, чтобы быть доступными для алгоритмов управления с обратной связью ЭБУ вовремя для обработки до инициирования следующего события сгорания для настройки приводов цилиндров для желаемых условий сгорания (щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию об управлении следующим циклом). Чтобы обеспечить детерминированный расчет данных давления, используется встроенный контроллер PXI с операционной системой реального времени (рис. 4) для запуска цикла синхронной обработки двигателя при времени менее 1 мс.Этот цикл собирает данные от многофункционального устройства сбора данных серии NI S. Устройства серии S имеют до восьми аналоговых входных каналов и могут производить выборку со скоростью до 500 kS / s на канал, что достаточно для выборки данных о давлении в цилиндре при 0,1 CAD на цилиндр при более чем 8000 об / мин. Встроенные контроллеры PXI с высокой пропускной способностью оснащены многоядерными процессорами с частотой несколько гигагерц, которые способны передавать большие объемы данных о давлении в цилиндрах и быстро выполнять вычисления. Эти детерминированные вычисления передаются в контуры управления, которые приводят в действие топливные форсунки, клапаны системы рециркуляции отработавших газов, свечи зажигания и т. Д. Для управления следующим циклом.

Рисунок 4. Встроенный контроллер NI PXI-8119 RT с четырехъядерным процессором Intel Core i7

с тактовой частотой 2,3 ГГц

Программируемая вентильная матрица (FPGA) серии NI R используется для считывания сигналов энкодеров кулачка и коленчатого вала с разрешением 25 нс. Эти данные используются для выравнивания по фазе данных давления в цилиндрах с положением двигателя с точностью 0,1 CAD. Устройство серии R также используется для мгновенных сигналов частоты вращения двигателя и обрабатывает все команды подачи топлива, искры и другие команды исполнительного механизма, гарантируя, что они будут выполнены в нужное время.Устройство FPGA серии R также можно использовать для управления одним циклом в качестве режима горения, когда данные давления вычисляются и обрабатываются достаточно быстро, чтобы влиять на горение во время одного события.

Доставка топлива

Двигатели

LTC требуют точного и точного контроля времени впрыска топлива. В случае PCCI и RCCI, многоимпульсные впрыски топлива синхронизируются так, что они инициируют сгорание в запланированном CAD. Немного ранний впрыск может привести к преждевременному воспламенению (детонации), а слегка поздний впрыск может привести к несгореванию топлива.Модули NI Powertrain Control C Series, используемые с устройством FPGA R Series, обеспечивают гибкость и контроль, необходимые для запуска топливных форсунок LTC с разрешением до 0,1 CAD. Линия Powertrain Control C Series включает модуль драйвера NI 9758 PFI и модуль драйвера NI 9751 DI. Они содержат всю силовую электронику, необходимую для управления различными топливными форсунками, включая пьезоэлектрические форсунки, и обеспечивают такие функции, как полностью настраиваемое время впрыска и регулируемые пиковые и удерживающие токи.Модули драйвера DI и PFI позволяют планировать многократный впрыск при любом угле поворота коленчатого вала. ПЛИС на устройстве серии R позволяет управлять впрыском топлива в одном цикле через модуль драйвера DI, что означает, что профили впрыска топлива могут регулироваться в реальном времени по мере того, как сгорание происходит внутри цилиндра.

Рисунок 5. Обычная форсунка прямого впрыска топлива

Программное обеспечение

NI Engine Position Tracking (EPT) - это набор IP FPGA, упакованный для использования в графической среде программирования NI LabVIEW, который отслеживает угловое положение широкого спектра шаблонов запуска коленчатого вала в среде LabVIEW FPGA.Программное обеспечение EPT предназначено для контроля функций подачи топлива и искры на основе вычислений положения двигателя, выполняемых на ПЛИС, так что ЦП должен реагировать на незначительные события синхронизации двигателя или вообще не реагировать на них. После инициализации программное обеспечение EPT в сочетании с любым количеством функций подачи топлива и / или искры способно выполнять свои функции, не требуя драгоценного времени обработки ЦП.

Рециркуляция выхлопных газов

EGR - это процесс введения выхлопных газов в свежий воздух, разбавления воздуха и заряда топлива и снижения температуры сгорания.В двигателях LTC обычно используется большое количество EGR (> 20 процентов), чтобы поддерживать низкие температуры сгорания и замедлять сгорание. Выхлопной газ вводится в цилиндр различными способами; в некоторых двигателях используются системы регулируемого срабатывания клапана (VVA) на выпускных клапанах для «улавливания» выхлопных газов от предыдущего сгорания (иногда называемого «захваченным остаточным»). Другие используют клапаны с электронным управлением или дросселируют выхлопной поток через контуры низкого или высокого давления для регулирования потока выхлопных газов во впускной коллектор (см. Рисунок 6, любезно предоставлено Renault).

Рис. 6. Схема системы рециркуляции ОГ высокого и низкого давления, любезно предоставлено Renault, изображение найдено в Google

Для двигателей, которые используют VVA, автомобильный комбинированный модуль NI 9752 AD измеряет кулачок, кривошип и другие аналоговые сигналы для определения положения двигателя, скорости, нагрузки и / или массы воздуха. Комбинированный модуль NI 9752 AD предлагает набор аналоговых и цифровых входов автомобильного типа для взаимодействия со стандартными автомобильными датчиками, включая 21 аналоговый входной канал, два входа для датчиков переменного магнитного сопротивления и два датчика на эффекте Холла или цифровые входные каналы общего назначения.Программное обеспечение EPT используется для отслеживания фаз впускного и выпускного клапана, а драйверный модуль портового топливного инжектора (PFI) NI 9758, который имеет четыре канала с возможностью ШИМ рабочего цикла от 0 до 100 процентов, используется для приведения в действие клапана управления маслом на двигателе. VVA cam phaser. Модуль драйвера PFI способен фазировать выпускной клапан таким образом, чтобы он закрывался раньше, удерживая остаточные выхлопные газы в цилиндре, чтобы засорить следующую заправку.

Рис. 7. Модуль драйвера PFI NI 9758 имеет четыре канала ШИМ с рабочим циклом от 0 до 100 процентов и четыре канала драйвера PFI с низким или высоким импедансом.

Контуры низкого и высокого давления включают либо традиционный дроссель, либо клапан с электронным управлением для распределения выхлопных газов на впуске. Комбинированный автомобильный AD-модуль NI 9752 используется для измерения давления и / или температуры в различных точках контура. Для двигателей с дроссельной заслонкой модуль электронного привода дроссельной заслонки NI 9759 имеет две Н-мостовые схемы и два аналоговых входных канала для обратной связи по положению дроссельной заслонки. Другие системы рециркуляции ОГ используют модуль драйвера NI 9758 PFI для приведения в действие своих электронных клапанов рециркуляции ОГ.

Искровое зажигание

Некоторые стратегии LTC работают хорошо только при небольшой нагрузке и почти в установившемся режиме; как таковые, они переключаются на обычный режим с искровым зажиганием, когда двигатель находится в условиях высокой нагрузки или переходных режимов. Модуль вывода NI 9754 Engine Synchronous TTL (ESTTL) способен управлять восемью интеллектуальными катушками. Он достаточно гибкий для планирования событий искры при любом угле поворота коленчатого вала с точностью 0,1 CAD и имеет разрешение 200 наносекунд. Инженеры могут комбинировать несколько модулей ESTTL для приложений, требующих более восьми свечей зажигания.

Рисунок 8. Модуль синхронного вывода TTL двигателя NI 9754 имеет восемь выходных каналов TTL, которые запускают двигатель синхронно для управления интеллектуальными катушками.

Operando Измерение деформации решетки в компонентах двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов

Значение

Компоненты двигателя внутреннего сгорания испытывают экстремальные термомеханические циклы во время работы, и постоянная потребность в повышении эффективности двигателя при сохранении или повышении надежности стимулирует разработку легких материалов с улучшенная термическая и механическая целостность.Понимание поведения новых материалов в динамической работе требует инструментов для определения характеристик, но обычные измерения поведения материала на месте во время реальной работы двигателя очень ограничены, и не существует практических средств для воспроизведения такой экстремальной динамики для исследования ex situ. В этой работе мы демонстрируем, что проникающая способность нейтронов может обеспечить неинвазивное измерение деформаций решетки внутри компонентов работающего двигателя, что позволяет оперативно изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты в твердых материалах.

Abstract

Инженерная дифракция нейтронов может неразрушающим и неинвазивным образом исследовать эволюцию напряжений, деформаций, температуры и фаз глубоко внутри объемных материалов. В этой работе мы демонстрируем операндное измерение деформации решетки компонентов двигателя внутреннего сгорания с помощью дифракции нейтронов. Модифицированный промышленный генераторный двигатель был установлен в дифрактометре VULCAN в источнике нейтронов расщепления, и деформации решетки как в блоке цилиндров, так и в головке были измерены в статических условиях без зажигания, а также в установившемся режиме и в циклических переходных режимах.Динамический временной отклик изменения деформации решетки во время переходного режима был разрешен в двух местах с помощью асинхронной стробоскопической дифракции нейтронов. Мы продемонстрировали, что операндно-нейтронные измерения могут позволить понять, как материалы ведут себя во всех эксплуатационных инженерных устройствах. Это исследование открывает путь для промышленных и академических сообществ, чтобы лучше понять сложность поведения материалов во время работы двигателей внутреннего сгорания и других реальных устройств и систем, а также использовать разработанные здесь методы для будущих исследований многочисленных новых платформ и сплавов.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) преобразует химическую энергию, хранящуюся в топливе, в механическую энергию за счет прямой силы, действующей на компоненты двигателя в результате расширения газов с высокой температурой и высоким давлением, образующихся при сгорании (1). Этот процесс представляет собой множество проблем с материалами, поскольку извлечение материала выполняется в высокодинамичной, реактивной и коррозионной среде, создавая экстремальные абсолютные значения и временн-пространственные градиенты температуры и давления. В поршневом двигателе оба неподвижных компонента (например,g., головка цилиндра, гильза и коллекторы) и движущиеся компоненты (например, поршни и клапаны) подвергаются сложным термомеханическим циклам с частотами от менее 1000 об / мин на холостом ходу до почти 20000 об / мин в гоночных приложениях. И двигатели с искровым зажиганием (бензиновые), и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные) подвергаются быстрому выделению химической энергии, вызывая чрезвычайно переходные состояния нагрузки и температурные градиенты внутри камеры сгорания. Обычно двигатели работают при пиковых температурах газа, превышающих 2200 ° C, и максимальных давлениях от 0.От 5 до 2,5 МПа при скорости повышения давления от 10 до 50 МПа / мс (2), а во время аномальных событий горения, таких как преждевременное зажигание и детонация, скорость повышения давления может превышать 100 МПа / мс (3). Тепловые потоки через различные поверхности в камере сгорания могут сильно различаться в разных местах из-за неоднородности дымовых газов (4) и могут локально превышать 10 МВт / м 2 в течение нескольких мсек, когда горящие топливные струи сталкиваются с поверхностями ( 5). Разработка и внедрение новых материалов с улучшенной механической и термической целостностью может повысить надежность и повысить эффективность, а также освободить место для повышенных рабочих температур и использования технологий принудительной подачи воздуха, что еще больше повысит эффективность.Кроме того, если будут приняты новые материалы, которые обладают более высокой удельной прочностью, есть потенциал для улучшения времени реакции на переходную нагрузку и для повышения экономии топлива транспортного средства за счет облегчения. Лабораторные исследования технических материалов с помощью физического моделирования часто проводятся в попытке удовлетворить требования строгой эксплуатации. Понимание динамического поведения, такого как температура, напряжение и деформация во время работы, ценно для разработки новых материалов и для инженеров, стремящихся улучшить эффективность, долговечность и безопасность.Однако из-за отсутствия инструмента неразрушающей оценки, который может имитировать реальные условия эксплуатации внутри ДВС, истинное понимание динамического термомеханического поведения и реакции компонентов двигателя ограничено.

Последние достижения в области источников нейтронов и нейтронной аппаратуры позволяют исследовать поведение материалов в сложных средах с пробами на месте как в сокращенных масштабах длины, так и времени (6⇓ – 8). Источник нейтронов расщепления (SNS) в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) - это самая интенсивная в мире установка для времяпролетных нейтронов (TOF), а высокий поток нейтронов дает возможность выполнять измерения дифракции нейтронов с высоким разрешением в диапазоне временные и пространственные масштабы в инженерных приложениях (6, 7, 9).Нейтронная дифракция часто используется для измерения деформаций решетки (10, 11) из-за температуры или напряжения, текстуры микроструктуры и ее эволюции, а также фазовых фракций глубоко внутри инженерных компонентов, которые не могут проникнуть даже высокоэнергетические рентгеновские лучи, что делает нейтроны уникальными для изучения поведение материалов в крупных конструкциях (12). Дифрактометр для инженерных материалов VULCAN (13, 14) в SNS предназначен для исследования деформации, фазового превращения, остаточных напряжений и текстуры в технических материалах, которые обычно проходят физическое моделирование в лабораторном масштабе с приложенной нагрузкой и температурами.Падающие щели и коллимация перед блоками дифракционных детекторов ± 90 ° (14) позволяют зондировать небольшой воксельный или измерительный объем внутри конструкции или устройства даже в условиях работы. Система сбора нейтронных данных по времени и событию регистрирует полную картину дифрагированных нейтронов с отметками времени и обеспечивает прямые измерения с временным разрешением (7, 15). Эти преимущества инженерной дифракции нейтронов в режиме TOF открывают прекрасную возможность исследовать динамический отклик материала в реальном времени в реальных условиях эксплуатации.Воспользовавшись этими уникальными возможностями в VULCAN, мы демонстрируем измерение изменений шага решетки из-за температуры и напряжения в головке цилиндров ДВС во время переходных режимов. Асинхронная накачка-зонд или стробоскопическое измерение нейтронов (7, 16⇓ – 18) использовалось для определения быстрых зависимостей от времени. Эта работа показывает будущий потенциал измерения быстрой динамики работы конкретных компонентов двигателя с использованием мощной проникающей способности нейтронов с большим потоком в SNS.

Экспериментальная установка

Экспериментальная платформа Operando Engine.

Чтобы продемонстрировать возможность безопасной эксплуатации работающего двигателя в качестве экспериментальной платформы для работы на VULCAN, коммерчески доступный электрический генератор, работающий от карбюраторного одноцилиндрового двигателя с малым диаметром цилиндра, был модифицирован и введен в эксплуатацию в испытательной камере двигателя в Национальных транспортных исследованиях. Центр (НТРК). NTRC - это пользовательский объект DOE, расположенный в ORNL и оборудованный для исследований инновационных технологий ICE и систем управления.Технические характеристики доработанного ДВС приведены в таблице 1. Схема, иллюстрирующая конфигурацию двигателя и взаимное расположение габаритных размеров, представлена ​​на рис. 1 A .

Таблица 1.

Технические характеристики генератора и двигателя

Рис. 1.

Детали эксперимента. ( A ) Схема в разрезе одноцилиндрового двигателя с воздушным охлаждением с репрезентативными положениями измерительных объемов, выделенными как в головке, так и в блоке цилиндров. ( B ) Фотография модифицированного двигателя, установленного на канале связи VULCAN с контрольно-измерительными приборами.( C ) Схема экспериментальной конфигурации (вид сверху), показывающая двигатель, установленный вдоль плоскости 45 °, разделяющей пополам падающий луч, и детекторы (B1 и B2) с измерительным объемом, расположенным в головке блока цилиндров. Камера расположена в ортогональной плоскости под углом 45 ° с видом, показанным на рис. 4.

Для этого эксперимента было несколько уникальных ограничений, связанных с ограниченным физическим пространством образца в дифрактометре, отсутствием специализированных средств тестирования двигателя, таких как динамометр внутри дифрактометра, и тот факт, что нейтроны сильно ослабляются атомом 1 H из-за его большого сечения некогерентного рассеяния.Эта экспериментальная платформа была выбрана и разработана с учетом следующих соображений безопасности и сбора данных: 1) экспериментальная установка обеспечивала автономную практическую работу работающего двигателя, 2) компактные габаритные размеры, не выходящие за пределы ограниченного пространства на VULCAN, 3) интегрированный генератор устранил необходимость в автономном динамометре для приема нагрузки от двигателя, 4) двигатель имел воздушное охлаждение и, таким образом, не сталкивался с проблемами сильного ослабления нейтронов или рассеяния водородосодержащим хладагентом, 5) двухклапанная конструкция толкателя сводила к минимуму количество стальных компонентов в головке блока цилиндров, которые могли бы ослабить рассеянные нейтроны из измерительного объема (ов); 6) относительно простая конструкция системы смазки не предусматривала каких-либо масляных каналов вдоль верхней или передней части двигателя, которые могли бы ослабить падающие или рассеянные нейтроны, и 7) электростартер позволял запускать двигатель дистанционно.

Помимо соответствующих экспериментальных соображений, связанных с VULCAN, которые были решены при использовании двигателя с воздушным охлаждением, геометрическая сложность, представленная охлаждающими ребрами и внутренней геометрией детали, сделала его хорошим испытательным стендом для проверки литейных свойств алюминиево-цериевого (AlCe) сплава. совместная разработка ORNL и Eck Industries. Геометрия головки блока цилиндров Honda GX200 была измерена с помощью рентгеновской компьютерной томографии и импортирована в модель CAD с помощью программного обеспечения для сканирования. После импорта формы для литья в песчаные формы были напечатаны с использованием системы аддитивного производства связующего (19).Этот метод устранил длительное время изготовления традиционной оснастки и снизил стоимость запуска опытного образца небольшой партии, и получившаяся головка блока цилиндров из AlCe показана рядом с исходной головкой блока цилиндров на рис. 2. Преимущества этой технологии могут быть использованы в будущем. экспериментаторам, чтобы быстро проверить новые материалы или влияние геометрии системы на охлаждение и внутреннюю деформацию во время работы. Сплав AlCe, из которого изготовлена ​​головка, был разработан в рамках проекта Института критических материалов и предназначен для высокотемпературных применений, в которых алюминиевые сплавы долгое время изо всех сил пытались найти применение.Сплав использует в качестве первичной добавки элемент церий и имеет состав Al-12 мас.% Ce-0,4 мас.% Mg. Этот состав был выбран, поскольку он находится рядом с эвтектикой Al-Ce, создавая литейный материал, и предыдущие нейтронные исследования, проведенные с этим сплавом, показали, что незначительные добавки Mg оказывают большое положительное влияние на способность распределения нагрузки большей части Al 11 Ce 3 интерметаллид (20). Высокая термическая стабильность упрочняющих интерметаллидов алюминия-церия, которые образуются во время затвердевания при традиционных скоростях литья, в отличие от осаждения во время дорогостоящих длительных термообработок, делает этот материал хорошим кандидатом для ДВС следующего поколения.Термическая стабильность сплавов является результатом почти нулевой растворимости и сопутствующей низкой диффузии Се в алюминиевой матрице, что означает, что упрочняющие богатые церием интерметаллические фазы блокируются при затвердевании и видят лишь незначительные недетериальные морфологические изменения во время длительного воздействия повышенных температур ( 20).

Рис. 2.

Литая головка блока цилиндров OEM-производства ( слева ), изображенная рядом с головкой блока цилиндров из AlCe ( справа ), изготовленной из форм, напечатанных на 3D-принтере. Оборудование головки цилиндров, включая монтажные шпильки, клапаны и свечу зажигания, было перенесено с головки OEM на головку AlCe.

Платформа двигателя / генератора была подготовлена ​​для использования в нейтронном дифрактометре путем снятия сначала монтажной рамы, внешнего кожуха и всех посторонних крышек и пластиковых компонентов, чтобы минимизировать ослабление нейтронов. Стальной топливный бак был удален и заменен удаленным топливным баком, соединенным гибким шлангом. Стальной глушитель был удален и заменен секцией выхлопной трубы, которая была оснащена термопарой типа K для измерения температуры выхлопных газов.Чтобы получить значимые результаты нейтронной дифракции во время работы двигателя, важно, чтобы целевой измерительный объем оставался постоянным во время каждого измерения. С этой целью разобранный узел был жестко закреплен на алюминиевой макетной плате, чтобы свести к минимуму вибрационное смещение двигателя во время работы, и окончательный инструментальный узел показан установленным на VULCAN на рис. 1 B . Обратите внимание, что термин «смещение» используется здесь для обозначения амплитуды колебательного движения внутри конструкции двигателя, а не рабочего объема двигателя.

Автономные испытания были проведены в NTRC, чтобы гарантировать безопасную и надежную работу модифицированного двигателя, прежде чем эксперименты по дифракции нейтронов были выполнены на VULCAN. Вибрационное смещение измерялось трехосевым акселерометром (PCB Piezotronics Model 356B21), установленным на картере двигателя, а также лазерным триангуляционным датчиком (Microtrak 3), направленным на интересующее место на головке блока цилиндров. Двигатель работал при трех режимах нагрузки, подавая электрическую нагрузку на генератор с программируемым набором нагрузок.Эти условия составляли 0 (двигатель на холостом ходу), 1530 и 2586 Вт, что соответствует 0, 55 и 92% номинальной нагрузки генератора соответственно. Генератор также имеет настройку Eco-Throttle, которая снижает частоту вращения двигателя на холостом ходу для снижения расхода топлива и шума, и этот режим также был протестирован. Среднеквадратичные значения вибрационного смещения (среднеквадратичное смещение), измеренные акселерометром и лазером, показаны на рис. 3. Самые низкие уровни среднеквадратичного смещения наблюдались на холостом ходу с включенным Eco-Throttle, тогда как среднеквадратичное смещение было относительно нечувствительным к нагрузке с настройка отключена.Согласие между всеми измерениями было хорошим, и общая величина лазерного луча и оси акселерометра z были в хорошем соответствии. Все измеренные значения среднеквадратичного смещения были ниже 0,5 мм, что представляет собой 10% -ный порог для измерительной длины 5 мм, используемой в этом исследовании.

Рис. 3.

Вибрационное смещение внешней конструкции двигателя в четырех рабочих условиях, измеренное трехосевым акселерометром и лазерным датчиком смещения. Все измерения показывают среднеквадратичное значение <0.5 мм или менее 10% от размера измерительного объема.

После успешного ввода в эксплуатацию на НТРК, обеспечивающего безопасную работу и приемлемые колебательные смещения при работе в модифицированной конфигурации, двигатель и вспомогательные системы были установлены на VULCAN. Схема на рис. 1 C показывает схему операндо эксперимента. Узел двигателя и генератора был установлен наверху ступени поступательного / вращательного движения на пересечении падающего луча и коллиматоров (14).Дистанционная подача топлива была расположена рядом с двигателем, но вне прямого пути луча и на большей высоте, так что топливо могло подавать самотеком в карбюратор без необходимости в топливном насосе. Сигналы от акселерометра и термопары температуры выхлопных газов направлялись в систему сбора данных для мониторинга состояния двигателя в реальном времени. Управление двигателем осуществлялось дистанционным стартером и выключателем, расположенным в диспетчерской VULCAN. Выходная мощность генератора измерялась программируемым блоком нагрузки, расположенным за пределами экспериментального корпуса VULCAN и рядом с диспетчерской.Вся проводка и шланги, подключенные к двигателю и генератору, были расположены вне путей пучка и закреплены с помощью устройства снятия натяжения, чтобы обеспечить перемещение и вращение узла двигателя во время работы. Выхлопные газы из двигателя по гибкому воздуховоду направлялись в вытяжную систему установки.

Внешнее инфракрасное измерение температуры.

В дополнение к измерению выхлопных газов термопарой, для контроля температуры внешних поверхностей использовалась инфракрасная (ИК) камера (FLIR T450sc), записывающая со скоростью 30 кадров в секунду.Точка обзора ИК-камеры была аналогична точке обзора камеры позиционирования образца, показанной на рис. 1 C . Излучательная способность была откалибрована с помощью термопары для поверхностного монтажа, размещенной на головке блока цилиндров; поэтому значения ИК-температуры и изображения, такие как рис. 4, являются количественными только для головки блока цилиндров из AlCe и являются качественными в других местах.

Рис. 4.

( Слева ) Инфракрасное изображение температуры двигателя через 1 мин после запуска. ( Средний ) Фотография двигателя с камеры центрирования образца.( Правый ) Расположение пространственного картирования 11 × 15 (белые кружки) и выбранные точки в блоке цилиндров (желтый ромб) и головке цилиндра (желтый кружок) для измерений деформации с временным разрешением. Места, отмеченные красными кружками, имели плохую статистику соответствия в одном или нескольких пространственных сопоставлениях, в первую очередь из-за открытой внутренней области в выпускном отверстии (верхний кластер) и утопленных областей отливки, которые могли частично похоронить измерительный объем. (средний кластер).

Нейтронографическое измерение статических и динамических деформаций решетки.

Схема операндного измерения дифракции нейтронов проиллюстрирована на рис. 1 C . Падающий луч в SNS является импульсным и работает на частоте 60 Гц. Энергия и длина волны нейтронов разрешаются и количественно оцениваются с помощью записанного времени пролета нейтронов с каждым временем излучения импульса и временем прохождения по фиксированной траектории полета прибора. Настройка прерывателя 30 Гц использовалась для обеспечения широкого диапазона измерения межплоскостного расстояния решетки (d-шаг) от 0.От 5 до 2,5 Å. Падающий пучок коллимировался до размеров 5 × 5 мм 2 с помощью моторизованных падающих щелей перед образцом. Хотя падающий луч рассеивается по всей длине своего пути через образец, радиальные приемные коллиматоры, прикрепленные к двум противоположным блокам детекторов B1 и B2, расположенным перпендикулярно падающему лучу (± 90 °), ограничивают угловой диапазон, из которого рассеянные нейтроны могут достигают детекторов, в результате чего получается измерительный объем 5 × 5 × 5 мм 3 , как показано на рис.1 С . Каждый блок детекторов измеряет изменения шага решетки вдоль биссектрис углов между падающим лучом и дифрагированным лучом (± 45 °). Благодаря импульсной конфигурации пучка TOF, индивидуальные зависящие от местоположения d-интервалы решетки в измерительном объеме могут быть измерены сразу без необходимости вращения образца или детекторов. Подробнее об инженерной дифракционной установке можно прочитать в предыдущей работе (14). Поскольку положения пучков падающих лучей и детекторов фиксированы, расположение измерительного объема в двигателе было изменено путем изменения положения всей установки двигателя с помощью предметного столика прибора.

Результаты и обсуждение

Пространственное отображение распределения деформации решетки.

Чтобы продемонстрировать возможность пространственно разрешенной операндной дифракции нейтронов в ICE, дифракционные картины были собраны на двумерной (2D) сетке размером 55 мм × 75 мм с интервалами 5 мм (11 × 15 точек измерения), как показано на рис. 4. Эта сетка была расположена ниже внешней поверхности двигателя в области, охватывающей границу раздела между блоком цилиндров, который состоит из литого сплава алюминия, поставляемого производителем оригинального оборудования (OEM), и цилиндром. головка, которая состоит из литого сплава AlCe.Поскольку оба сплава основаны на Al, они оба содержат матричную фазу с гранецентрированной кубической (ГЦК) фазой с пиками Брэгга от плоскостей (222) и (311). В общем, расстояние d данного набора плоскостей решетки (hkl) может быть связано с параметром решетки a , который определяет размер элементарной ячейки FCC, bydhkl = ah3 + k2 + l2. [1] Затем можно определить деформацию решетки в заданном месте (x, y, z) путем сравнения измеренного значения dhkl (x, y, z) с эталонным значением dhkl0 (x, y, z): ϵhklx, y, z = dhklx, y, z − dhkl0x, y, zdhkl0x, y, z.[2] При отображении остаточной деформации в образце часто используется одно значение dhkl0, полученное из хорошо охарактеризованного эталона без напряжений. Однако для измерения динамической деформации в крупных инженерных компонентах нецелесообразно использовать одно значение dhkl0 из-за пространственных изменений в составе. Остаточные напряжения от литья, изготовления, сборки и предыдущей операции затрудняют неразрушающее измерение истинных без напряжений d-зазоров во всей системе.Во многих случаях знание того, какое значение использовать для dhkl0, также может быть недоступно из-за неизвестного происхождения, состава и истории рассматриваемого образца. Кроме того, сложность геометрии образца может неизбежно привести к появлению артефактов из-за того, что объем нейтронного датчика только частично заполнен материалом в некоторых местах измерения (частичное захоронение) (10), например, вблизи поверхности.

Здесь мы выбрали опорные значения решетки d3110 (y, z) на основе сопоставления с пространственным разрешением в начальном состоянии двигателя, что позволяет рассчитать эволюцию относительной деформации во время работы двигателя.Это эталонное картирование было проведено при выключенном двигателе и в условиях комнатной температуры (~ 25 ° C) по ранее описанной 2D-сетке, и каждое местоположение было измерено в течение примерно 1 мин. Пик Брэгга FCC (311) был выбран в качестве репрезентативного для расчета деформаций решетки, поскольку на него меньше всего влияют межзеренные деформации, возникающие из-за анизотропии материала (10) и другой локальной информации, такой как текстура отливки. Расстояние между пиками (311) d определяли путем подгонки одного пика с использованием программного обеспечения Data Reduction и Interactive Visualization для режима нейтронной дифракции в режиме событий (VDRIVE) (21).Результирующее эталонное сопоставление визуализировано на рис. 5 A в виде псевдоцветной диаграммы. Граница раздела между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна, причем головка имеет тенденцию иметь более высокие измеренные значения d311 из-за другого состава сплава. Также существует изменение d311 внутри каждого компонента, что может быть результатом сборочных напряжений и пространственного изменения скорости охлаждения отливки и твердых растворов сплава. Рис. 5 A показывает, что зависящий от местоположения d3110 (y, z) важен для точного расчета отклика на деформацию при работе двигателя.

Рис. 5.

( A ) Пространственное отображение (311) местоположения пика Брэгга ( d 311 ) в двигателе при комнатной температуре в статических эталонных условиях, как показано на псевдоцветной карте. Места, отмеченные красным крестиком, были исключены из визуализации из-за плохой статистики подгонки пиков, а примеры спектров хорошего и плохого качества выделены белыми заполненными кружками и показаны в B . Граница между головкой блока цилиндров и блоком хорошо видна на карте d 311 и соответствует областям, выделенным на рис.4. ( B ) Местоположение с хорошей статистикой соответствия пика имеет четко видимые (222) и (311) пики, в то время как местоположение с плохой статистикой не имеет заметных пиков относительно фона. ( C ) Пространственное картирование d 311 при горячей стационарной работе двигателя - выполнено лишь частично из-за ограничений по времени. Обратите внимание, что масштабирование отличается от масштабирования в A . ( D ) Карта деформации решетки ( ϵ 311 ), рассчитанная путем сравнения d 311 во время работы двигателя в установившемся режиме ( C ) и статического эталонного состояния ( A ).Исключенные точки в D являются объединением исключений из A и C . Напряжение монотонно увеличивается к правому верхнему углу рисунка, который находится рядом с отверстием для горячего выхлопа (рис. 4). ( E ) Примерные спектры из одного места, используемые для расчета деформации, имеют четко видимые сдвиги в положениях пиков (222) и (311) из-за термически индуцированной деформации.

Обратите внимание, что не все точки измерения использовались при создании визуализации эталонного картирования - некоторые были исключены из-за плохой статистики подгонки пиков.Эти местоположения также отмечены на рис. 4 и делятся на два основных кластера. Группа в верхней части карты совпадает с выпускным отверстием, которое представляет собой открытую область (как показано на рис. 2), где мало или совсем не материал занимает измерительный объем. Группа около середины карты совпадает с углублениями отливки, которые также могли иметь частичное захоронение измерительного объема. Два примера дифракционных картин от эталонного отображения показаны на рис. 5 B . Один взят из места с хорошей статистикой подгонки пиков, в котором есть четко различимые пики (222) и (311).Другой узор взят из места в выпускном отверстии, не имеет заметных пиков относительно фона и был исключен из визуализации карты.

В соответствии с эталонным картированием, расширение решетки из-за повышения температуры при работе двигателя в установившемся режиме при нагрузке генератора 2 кВт было нанесено на карту путем измерения в течение примерно 2 минут для каждого местоположения. В то время как некоторые компоненты двигателей, в частности выпускные клапаны (22), любые области, на которые попадают брызги топлива (5, 23, 24) и другие внутренние поверхности камеры сгорания, такие как гильза и поршневые кольца (25), являются подверженные быстрым колебаниям температуры во время цикла сгорания, они обычно происходят в течение времени порядка миллисекунд, а проникновение тепловой волны в конструкцию двигателя составляет порядка сотен мкм из-за высокой теплоемкости металлов. .Для наших измерений, проведенных вблизи внешней поверхности конструкции двигателя, температура внутри измерительного объема будет фактически постоянной при условии, что двигатель работает с постоянной выходной мощностью и достиг установившегося теплового режима.

Карта операнда d311 (y, z) показана на рис. 5 C и была подготовлена ​​аналогично справочной карте на рис. 5 A . Карта действия была измерена ближе к концу выделенного времени луча, и утечка выхлопных газов привела к преждевременному завершению эксперимента и неполной карте из-за ограниченного оставшегося времени луча, доступного для поиска неисправностей и ремонта.Тем не менее, этот набор измеренных данных демонстрирует доказательство принципа. Две карты имеют в целом схожий внешний вид, но обратите внимание, что цветовая шкала для карты операндов на рис. 5 C была смещена в сторону больших значений d-интервала из-за теплового расширения материалов. Используя эти две карты, пространственно разрешенная деформация операндной решетки ϵ311y, z была рассчитана по формуле. 2 и показан на рис. 5 D . Поскольку для расчета деформации требуются значения из обеих входных карт, исключенные точки на карте ϵ311y, z представляют собой объединение исключений во входных картах.Измеренная деформация решетки варьировалась от низкого уровня (2365 ± 112 мкл) в блоке цилиндров до высокого (4096 ± 86 мкМ) в головке блока цилиндров и монотонно увеличивалась к правому верхнему углу карты, который ближе всего к горячему. выхлопное отверстие, как показано на рис. 4. Используя измеренный коэффициент теплового расширения (CTE) 23,5 × 10 −6 ° C −1 для сплава головки блока цилиндров AlCe и предполагая, что деформация полностью вызвана тепловым расширением приводит к предполагаемому повышению температуры на 174 ° C.3 ± 5,2 ° C, или абсолютная температура ∼200 ° C в месте наивысшей деформации на карте. Типичные сплавы, используемые для литых алюминиевых блоков цилиндров, имеют КТР в диапазоне от 21 до 24 × 10 −6 ° C −1 (26). Использование КТР 21,8 × 10 −6 ° C −1 для A380, который является наиболее распространенным алюминиевым сплавом для литья под давлением, приводит к предполагаемому повышению температуры на 108,5 ± 5,7 ° C или к абсолютной температуре ∼133. ° C в месте с наименьшей деформацией на карте. Видно хорошее качественное согласие между подповерхностной деформацией решетки (и предполагаемой температурой) на рис.5 D и инфракрасные измерения температуры поверхности, показанные на рис. 4.

После того, как двигатель был остановлен и полностью остыл, одна и та же область была перенесена на ту же сетку измерений, и результирующая карта d311 (y, z) Показано на рис.6 A . Используя справочную карту на рис. 5 A как d3110 (y, z), деформация решетки ϵ311y, z была рассчитана для каждого местоположения с использованием уравнения. 2 . Результирующая карта микродеформации на рис. 6 B довольно плоская, с большинством местоположений в пределах ± 100 με, что приближается к пределу разрешения дифракционной техники.Примеры дифракционных картин до и после от места в головке блока цилиндров показаны на рис. 6 C и демонстрируют, что пики вернулись в почти идентичные положения. Это отображение до и после показывает, что головка двигателя из литого сплава AlCe вряд ли претерпит морфологические или фазовые изменения во время работы двигателя (20). Это также подтверждает, что наш подход к измерению отдельных эталонов, зависящих от местоположения, эффективен для устранения вклада вариаций d-шага эталонной решетки и позволяет количественно оценить деформации, которые сопоставимы во всей измеряемой области двигателя.

Рис. 6.

( A ) Пространственное отображение d 311 после того, как двигатель был выключен и ему дали остыть до комнатной температуры, с тем же масштабированием, что и на рис. 5 A , и в целом похожим внешним видом. ( B ) Карта деформации решетки после охлаждения показывает, что большинство областей имеют остаточную деформацию <100 мкМ. Исключенные точки представляют собой совокупность исключений из рис. 5 A и 6 A . ( C ) Примеры дифракционных картин в одном месте до и после работы двигателя показывают, что пики вернулись в почти идентичные положения.

Отклик на деформацию решетки с временным разрешением во время работы двигателя.

Для изучения реакции динамической деформации решетки во время работы двигателя было выбрано одно место в блоке цилиндров и одно место в головке блока цилиндров из AlCe, как показано на рис. 4, справа. Двигатель работал вручную в трех переходных циклах нагрузки, состоящих из запуска двигателя и холостого хода (нагрузка генератора 0 кВт) в течение 2 минут, ступенчатого переключения на нагрузку генератора 2 кВт (~ 50% номинальной мощности), удерживаемого в течение 5 минут, и остановка двигателя с периодом охлаждения 6 мин.Поскольку нейтронный поток недостаточен для захвата дифракционных картин в реальном времени в этих временных масштабах, для определения изменяющейся во времени реакции системы использовалось непрерывное асинхронное стробоскопическое измерение нескольких переходных циклов нагрузки. Цикл переходной нагрузки повторялся 21 раз, в то время как данные нейтронной дифракции во времени и данные термопары выхлопных газов непрерывно собирались с высоким временным разрешением. Срез стробоскопических данных и синхронизация нейтронных данных и журналов выборки выполнялись с помощью программы VDRIVE (21), которая позволяла создавать ансамблевые дифракционные картины в 20-секундных временных интервалах.Эта комбинация циклических повторений (21 цикл) и размера временного интервала (20 с) была основана на оценках из предыдущих статических измерений накопленного времени луча, необходимого для получения пригодного для использования статистического ансамбля в пределах данного временного интервала. Как правило, для достижения меньшего размера временного интервала потребуется пропорционально большее количество повторений. Дифракционные данные ансамбля с бином показаны на рис. 7 A ; Сдвиги пиков FCC (311) и FCC (222) в первую очередь являются результатом теплового расширения сплава, вызванного термоциклированием двигателя, и этот рисунок демонстрирует осуществимость стробоскопического подхода.

Рис. 7.

( A ) Решетки Al (222) и Al (311) головки блока цилиндров эволюционируют во время цикла нагрузки двигателя. Данные показаны в виде 20-секундных интервалов времени, суммированных по ансамблю из 21 цикла нагрузки, со сдвигами решетки относительно значений температуры в помещении, соответствующих изменению температуры внутри двигателя во время цикла нагрузки. Контрольные значения d2220 и d3110 были рассчитаны из измеренного a0 = 4,0485 (3) Å с использованием уравнения. 1 . ( B ) Типичная картина TOF-дифракции от блока цилиндров с уточнением Ритвельда.Наблюдаются и подходят как фаза Al, так и интерметаллическая фаза, содержащая Si.

Принимая во внимание, что при пространственном картировании в статических или установившихся условиях, показанных на рис. 5 и 6, размер статистического ансамбля значительно меньше для каждой дифракционной картины в измерениях с временным разрешением, что делает этот подход менее практичным. Чтобы получить изменение параметра решетки с временным разрешением с наименьшей статистической ошибкой подгонки, было применено уточнение Ритвельда полной картины, которое использует метод регрессии наименьших квадратов для подгонки многопараметрического профиля линии ко всем измеренным дифракционным спектрам, а не к отдельным пикам (27 ), как показано на рис.7 Б . Это было реализовано на каждой из дифрактограмм срезов с использованием General Structure Analysis System (28) и программного обеспечения EXPGUI (29), и параметры решетки сплавов Al были извлечены как (t, y, z) для каждого местоположения. Затем была рассчитана деформация решетки с временным разрешением аналогично уравнению. 2 , где параметр решетки a использовался вместо d311: ϵt, y, z = at, y, z − a0y, za0y, z. [3] Деформация решетки ансамбля с временным разрешением в двух местах изображены на рис.8 вместе с типичными одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и инфракрасной температуры поверхности, измеренной на головке цилиндров. Когда двигатель запускался на холостом ходу, температура сначала быстро повышалась и асимптотически приближалась к установившемуся состоянию. Аналогичная картина роста температуры и асимптотического подхода наблюдалась при увеличении нагрузки генератора до 2 кВт. Когда двигатель был выключен на 7 мин, температура выхлопных газов быстро падала, поскольку термопара находилась в ядре, или в самой горячей части газового потока, который прекращался сразу после выключения.Напротив, температура инфракрасной поверхности показала кратковременное, но немедленное повышение, поскольку при выключении двигателя также отключался охлаждающий вентилятор, установленный на генераторе. Это привело к уменьшению поверхностной конвективной теплопередачи, а продолжающаяся теплопроводная теплопередача из более горячей внутренней части головки цилиндров вызвала временное повышение температуры поверхности перед изменением тенденции и уменьшением со значительно более медленной скоростью, чем температура выхлопных газов. Данные о совокупной деформации наносятся на график с временными интервалами по 20 с, как описано выше, и кривые деформации решетки в обоих местах очень похожи на температурные кривые с тремя отдельными фазами, соответствующими изменениям нагрузки двигателя.Место измерения в блоке цилиндров имело более низкую деформацию, что указывает на более низкую температуру, чем точка в головке цилиндров, и согласуется с ИК-изображениями на рис. 8 и картированием деформации в установившемся режиме, показанным на рис. 5 D .

Рис. 8.

( Вверху ) Последовательность ИК-изображений, показывающих изменение температуры поверхности во время переходного цикла нагрузки. ( Нижний ) Отклик ансамбля на деформацию решетки из выбранных мест, измеренный в блоке цилиндров и головке цилиндров путем дифракции нейтронов во время переходных циклов нагрузки, по сравнению с одноцикловыми измерениями температуры выхлопных газов и температуры поверхности ИК-поверхности головки цилиндров.

Деформация решетки, измеренная внутри головки цилиндров, нанесена на график зависимости от ИК-температуры, измеренной на поверхности головки цилиндров на рис. 9. Следует отметить несколько предостережений относительно этого сравнения: деформация решетки может быть вызвана механической нагрузкой в ​​дополнение к тепловое расширение; измерительный объем, измеренный методом дифракции нейтронов, находится ниже поверхности на неизвестное расстояние порядка измерительной длины (5 мм), тогда как ИК-камера измеряет излучение с поверхности; излучательная способность для ИК-измерения была откалибрована поверхностной термопарой в одной точке на головке цилиндров и предполагается, что она одинакова для всей головки цилиндров; ИК-измерение берется из одного переходного цикла нагрузки из серии циклов, которые были выполнены в автономном режиме (не одновременно с нейтронографическим измерением) и были извлечены из ИК-фильма путем усреднения по области 3 × 3 пикселей, которая была выбрана вручную как место на поверхности, наиболее близкое к объему нейтронного датчика, как это видно камерой позиционирования образца; а головка блока цилиндров имеет сложную геометрию охлаждающих ребер, что приводит к значительным локальным колебаниям температуры поверхности.С учетом этих квалификационных требований рис. 9 действительно показывает сильную корреляцию между температурой поверхности и подповерхностной деформацией решетки ( R 2 = 0,95). Данные были подогнаны с использованием линейной регрессии наименьших квадратов с масштабированной ошибкой, связанной с каждой точкой, использованной для взвешивания данных, как ωi = (max (σx) / σx, i) 2+ (max (σy) / σy, i) 2 в дополнение к использованию двухквадратных весов при минимизации остатков, чтобы уменьшить влияние выбросов. Результирующий наклон (25,78 ± 2,01) × 10 −6 ° C −1 примерно на 10% больше, чем заявленный КТР материала, но находится в очень разумном согласии с учетом оговорок, упомянутых выше, и указывает на то, что деформация решетки вызвано преимущественно тепловым расширением.Сильная корреляция между нейтронографическими данными и другими показателями динамического поведения системы, показанными на рис. 8 и 9 демонстрирует, что стробоскопическая дифракция нейтронов способна неразрушающим образом исследовать динамическую эволюцию деформации решетки во время переходной работы в работающем двигателе.

Рис. 9.

Деформация решетки, измеренная под поверхностью головки блока цилиндров методом нейтронной дифракции, показывает сильную корреляцию с температурой, измеренной на поверхности головки с помощью инфракрасной камеры.

Проблемы и ограничения.

В отличие от хорошо охарактеризованных и специально разработанных образцов, которые обычно используются для нейтронных исследований, исследования реальных инженерных устройств и систем на месте сопряжены с рядом проблем.

Геометрическая сложность.

Реальные устройства часто имеют сложные геометрические элементы, такие как ребра охлаждения на рассматриваемом здесь двигателе. Даже если номинальная геометрия известна априори, что не всегда так, вариации, возникающие в результате литья или других процессов изготовления, могут вносить неопределенность в отношении фактических размеров образца.Это может создать трудности при выравнивании образца и размещении измерительного объема. Использование реперных маркеров с системой лазерного сканирования и юстировки важно для многократного определения местоположения образца в пространстве, но, как правило, не дает информации о внутренних характеристиках образца.

Вибрация и движение.

Для извлечения значимых результатов из данных дифракции требуется некоторая информация о том, какая часть материала генерирует измеряемый сигнал рассеяния.В случае статического образца это просто, поскольку в измерительном объеме всегда присутствует один и тот же материал. В случае вибрирующего образца со случайными или асинхронными колебаниями относительно нейтронного импульса размер измерительного объема эффективно увеличивается, но с неравномерным отбором образца из объема. Поэтому обычно рекомендуется поддерживать смещение измерительного объема ниже 10% расчетной длины. Аналогичная проблема возникает при перемещении или вращении компонентов, хотя это можно преодолеть, если движение может быть синхронизировано с нейтронным импульсом или если положение может быть измерено в реальном времени, чтобы обеспечить сокращение данных при постобработке.

Размеры зерен.

Размер и ориентация зерен могут быть важными факторами в практике использования дифракции для измерения деформации решетки в объемных материалах. Если отдельное зерно занимает значительную часть измерительного объема, реакция рассеяния становится анизотропной, что приводит к неравномерным дифракционным картинам и ошибочным результатам. Это не было проблемой в настоящей работе, так как размер зерна сплава AlCe (от 10 до 100 мкм) (20) был мал по сравнению с калибровочным объемом (5 × 5 × 5 мм 3 ).Это подчеркивает силу нейтронов по сравнению с другими методами, такими как синхротронное рентгеновское излучение, которые обычно используют гораздо меньшие калибровочные объемы.

Затухание и рассеяние.

Большие образцы могут представлять проблемы из-за ослабления как падающих, так и дифрагированных нейтронов, причем каждый материал имеет макроскопические коэффициенты ослабления из-за поглощения, когерентного рассеяния и некогерентного рассеяния. В то время как Al является очень прозрачным с комбинированной глубиной проникновения 1 / e 102 мм (нейтроны 1 Å), Fe вызывает значительно большее затухание с глубиной проникновения 1 / e 9 мм.Большое сечение некогерентного рассеяния 1 H означает, что водородосодержащие материалы, такие как пластик, охлаждающая жидкость, смазка и топливо, могут представлять более серьезные проблемы с глубиной проникновения 1 / e для воды всего 1,8 мм (30). Ослабление падающего луча снижает скорость, с которой нейтроны достигают измерительного объема, увеличивая время, необходимое для проведения статистически значимых измерений. То же самое верно и для нейтронов, рассеянных от измерительного объема к детектору, с дополнительным усложнением, заключающимся в том, что неоднородный состав или геометрия материала между измерительным объемом и детектором может вызвать затенение на детекторе.Сильно рассеивающие материалы могут также увеличить скорость счета фона, дополнительно увеличивая необходимое время счета. Обычно рекомендуемые подходы состоят в том, чтобы удалить или заменить твердые компоненты, такие как сталь, пластик или другие ослабляющие материалы, алюминием, где это возможно. В высокотемпературных системах, где прочность Al является ограничением, также можно использовать Ti. Точно так же водородсодержащие жидкости могут быть заменены фторированными эквивалентами, где это возможно. В случаях, когда замена ослабляющих компонентов нежелательна или нецелесообразна, можно также использовать особую ориентацию образца, чтобы избежать помех.

Активация.

Хотя нейтронная диагностика, как правило, неразрушающая с точки зрения механического или химического изменения образцов, нейтронно-индуцированная радиоактивность (активация) действительно вызывает беспокойство для определенных материалов. Активация является функцией изотопного состава и количества материала, а также нейтронного потока и совокупного времени воздействия. Например, природный Al полностью состоит из стабильного изотопа 27 Al, который имеет малое сечение поглощения нейтронов, равное 1.495 сарай. Его продукт активации 28 Al имеет относительно короткий период полураспада 2,245 мкм, что означает, что даже высокоактивированные образцы могут распадаться ниже высвобождаемых пределов радиоактивности в течение нескольких часов или дней. Напротив, многие стальные сплавы содержат Co в концентрациях от следовых количеств до 8% в быстрорежущей инструментальной стали M42. Единственный стабильный изотоп, 59 Co, имеет относительно большое сечение поглощения нейтронов 37,18 барн, а его продукт активации, 60 Co, имеет период полураспада 5.275 л (30). В зависимости от концентрации Co и общего нейтронного облучения стальным образцам могут потребоваться дни или десятилетия для разложения ниже допустимых пределов радиоактивности. Поэтому важно, чтобы у пользователей было как можно больше информации о составе их образцов заранее, и пользователи всегда должны быть готовы к тому, что образцы не могут быть выпущены немедленно.

Резюме и перспективы

Мы продемонстрировали операндное измерение деформации решетки компонентов ДВС методом нейтронографии.Пространственное изменение деформаций решетки, вызванное тепловыми градиентами в блоке цилиндров и головке цилиндров, было нанесено на карту при установившемся состоянии нагрузки, и тенденции согласовывались с внешними инфракрасными измерениями температуры поверхности. Разрешенный во времени динамический отклик деформации решетки во время циклической нагрузки двигателя был определен в двух местах в 20-секундных временных интервалах с помощью асинхронной стробоскопической нейтронной дифракции, демонстрируя, что измерение операндных нейтронов может позволить понять поведение материалов в эксплуатации в сложные инженерные устройства.Динамический отклик деформации решетки отражал измерения температуры, а деформация решетки, измеренная в головке цилиндров, сильно коррелировала с измерением температуры в инфракрасном диапазоне на поверхности головки цилиндров.

Развитие этого метода измерения рабочих деформаций, испытываемых ДВС, позволит изучать сложные состояния нагрузки и температурные градиенты по всему объему твердых компонентов. Понимание этих систем с пространственным и временным разрешением ранее было доступно только с помощью моделей, поддерживаемых точечными измерениями, такими как термопары с быстрым откликом.Возможность предоставления экспериментальных данных о проверке и граничных условиях в аналогичных масштабах и пространственной протяженности для областей, исследуемых в экзадачных моделях следующего поколения, расширит влияние инженерной нейтронной дифракции за счет увеличения пользовательской базы, а также расширения наших знаний о поведении материалов в сложных и сложных условиях. экстремальные условия эксплуатации.

Это исследование также служит отправной точкой для разработки специализированной нейтронной исследовательской машины, которая продолжается в ORNL.В то время как небольшой двигатель с воздушным охлаждением, используемый в этом исследовании, был выбран в основном из-за простоты реализации и управлялся вручную для достижения временного разрешения 20 с, разрабатываемая платформа будет представлять современные автомобильные двигатели и будет иметь тесную интеграцию между двигателями. контроллер и система сбора данных нейтронного дифрактометра для достижения временного разрешения, равного субмсек в стробоскопическом режиме. Этот двигатель также будет служить модульной исследовательской платформой, чтобы предоставить доступ другим пользователям, которые могут пожелать исследовать характеристики новых материалов в реальных условиях работы двигателя.Подход, принятый в этом исследовании для быстрого прототипирования пресс-форм для изготовления головки блока цилиндров из сплава AlCe и выполнения измерений деформации решетки в этом компоненте при использовании в реальном двигателе, служит примером того, как пользователи могут использовать производство и транспортировку. , а также установки пользователей нейтронов в ORNL для исследования поведения материалов в процессе эксплуатации без необходимости разрабатывать всю экспериментальную установку с нуля.

Благодарности

Эта работа была поддержана Министерством энергетики США (DOE), Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии, Управлением транспортных технологий, через программу Advanced Combustion Engine Systems.В этом исследовании использовались ресурсы SNS, Управления науки Министерства энергетики США, и NTRC, Управления по энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США, которые находятся в ведении ORNL. Исследование сплавов AlCe спонсировалось Институтом критических материалов, центром энергетических инноваций, финансируемым Министерством энергетики, Управлением энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Управлением перспективного производства и Eck Industries. Эта работа выполнялась под эгидой Министерства энергетики и ORNL по контракту DE-AC05-00OR22725.Мы благодарим Стивена Уиттеда из ORNL, который выполнил модификацию и упаковку двигателя для работы в дифрактометре. Автором этой рукописи является UT-Battelle, LLC по контракту DE-AC05-00OR22725 с Министерством энергетики США. Правительство США сохраняет за собой, а издатель, принимая статью к публикации, подтверждает, что правительство США сохраняет за собой неисключительную, оплаченную, безотзывную, всемирную лицензию на публикацию или воспроизведение опубликованной формы этой рукописи или на разрешение другим делать это. для целей правительства США.DOE предоставит публичный доступ к этим результатам исследований, спонсируемых на федеральном уровне, в соответствии с Планом публичного доступа DOE (energy.gov/downloads/doe-public-access-plan). Поддержка набора данных DOI 10.13139 / ORNLNCCS / 1728670 обеспечивается Министерством энергетики США, проект IPTS-18431 по контракту DE-AC05-00OR22725. В рамках проекта IPTS-18431 использовались ресурсы вычислительного центра Oak Ridge Leadership Computing Facility в Oak Ridge National Laboratory, который поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США по контракту No.DE-AC05-00OR22725.

Сноски

  • Вклад авторов: Y.C., M.J.F., O.R., Z.C.S., D.W., E.T.S. и K.A. спланированное исследование; M.L.W., Y.C., M.J.F., S.J.C., O.R., Z.C.S., E.T.S. и K.A. проведенное исследование; M.L.W., Y.C. и К.А. проанализированные данные; и M.L.W., Y.C., S.J.C., O.R., Z.C.S. и K.A. написал газету.

  • Авторы заявляют об отсутствии конкурирующей заинтересованности.

  • Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

  • Copyright © 2020 Автор (ы).Опубликовано PNAS.

Авиационный двигатель Wright 1903

Авиационный двигатель Wright 1903
Гленн

Исследования
Центр

Это анимированный компьютерный рисунок Райта. Авиадвигатель братьев 1903 года.Эта машина приводила в движение первую, тяжелую, чем воздушные, самоходные, маневренные, пилотируемые самолеты; Райт Флаер 1903 г., прилетел в Китти Хок, Северная Каролина, в декабре 1903 года. Генерировать толкать для своих самолетов братья использовали сдвоенные, вращающиеся в противоположных направлениях пропеллеры в задней части самолета. Чтобы повернуть пропеллеры, братья спроектировали и построили бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Во время первого полета братьев, большинство их современников не использовать для полета бензиновые двигатели внутреннего сгорания.Лэнгли, Максим и Адер использовали силу пара в своих ранних конструкциях. Лэнгли использовал бензиновый двигатель на своем более крупном аэродроме. Херринг экспериментировал с системой сжатого газа. Но время показало, что выбор братьев был правильным. До изобретения реактивного двигателя почти каждый самолет был оснащен двигатель внутреннего сгорания.

Базовая механическая конструкция двигателя Райта удивительно похожа на современную, четырехтактный, четыре цилиндра автомобильные двигатели.Очевидно, конструкция братьев намного проще, чем современные высокопроизводительные двигатели, но это отличный двигатель для студентов, чтобы изучить основы работа двигателя. Индивидуальные веб-страницы для всех основных систем и части предоставляются так, чтобы вы можете детально изучить каждый пункт. Вот программа на JavaScript, которую вы можете использовать, чтобы посмотреть на движок из разнообразие локаций:

Двигатель 1903 года был машина с водяным охлаждением.На рисунке вверху страницы мы показываем одинарный подводящий шланг радиатора внизу и двойной возвратный шланг радиатора в верхней части двигателя. В Яве Программой мы удалили линии охлаждающей жидкости для наглядности. Мы также наклонили двигатель под углом, чтобы можно было легко увидеть детали как на верхней, так и на нижние поверхности двигателя. Большой маховик , который используется для гашения вибраций от двигателя видно в задней части двигателя.Рядом с маховиком находится магнето который вырабатывает электричество для системы зажигания. В четыре цилиндра на стороне двигателя на самом деле камеры сгорания в котором воспламеняется топливно-воздушная смесь. Пружины впускного клапана видны вверху камер сгорания, пружины выпускного клапана находятся внизу. Воздухозаборник и карбюратор расположены в верхней части двигателя и топливопровод проходит от воздухозаборника вниз перед двигатель.В временная цепь звездочки привода ГРМ также расположены на передней части двигатель. Внизу двигателя находится система смазки и ГРМ распредвалы и распредвалы . Другая страница содержит подробную информацию о различных частях и их функциях. Завершенный двигатель развивал около 12 лошадиных сил. Для сравнения современная газонокосилка. двигатель развивает порядка 6 лошадиных сил!

Вот фотография репродукции первого двигателя, сделанная в 1920-х годах.

Двигатель 1903 года был поврежден в результате ветровой аварии 17 декабря 1903 года. Он был возвращен в Дейтон, штат Огайо, с планером и разобран как братья построили новый двигатель для 1904 г. самолет. Лишь несколько частей оригинального двигателя, и на сегодняшний день нет полных планов. Как и планер, двигатель спроектировали и построили братья. в Дейтоне зимой 1902–1903 и весной 1903 года. В отличие от планера, братьям немного помогли в постройке. двигателя.Чарльз Тейлор, механик, работавший в братья, производили многие детали для двигателя в велосипедной мастерской Райт. Братья построили собственный двигатель, потому что не могли купить двигатель, который соответствовал бы их проектным целям для вес (менее 200 фунтов) и лошадиные силы (8-10 лошадиных сил). Было много производителей автомобилей кто мог соответствовать их требованиям, но поскольку братья просили произвести только один двигатель, это было невыгодно для крупных компаний.



Деятельность:

Навигация ..


Возрождение пути Райта
Руководство по воздухоплаванию для новичков
Домашняя страница НАСА
http://www.nasa.gov

Девять стран заявили, что запретят двигатели внутреннего сгорания - Quartz

Двигатель внутреннего сгорания, похоже, находится на последнем этапе. За последние несколько лет более девяти стран и десятка городов или штатов объявили о том, что СМИ назвали «запретами».Мэр Копенгагена Фрэнк Дженсен хочет, чтобы в городе прекратили выпуск новых дизельных автомобилей, начиная со следующего года. В декабре прошлого года Париж, Мадрид, Афины и Мехико заявили, что они откажутся от дизельных автомобилей и фургонов к 2025 году. Норвегия откажется от обычных автомобилей к 2025 году, за ней следуют Франция и Великобритания в 2040 и 2050 годах соответственно.

Тем не менее, несмотря на все эти обязательства, ни одна страна не приняла закон, запрещающий что-либо. «Буквально нет ни одного запрета на книги в нормативной лексике, который мог бы применяться на любом автомобильном рынке в мире», - сказал по телефону Ник Лютси, директор Международного совета по чистому транспорту (ICCT).Это не делает их бессмысленными. Политики, большинство из которых уйдут с поста к моменту вступления в силу каких-либо запретов, не могут связать своим преемникам руки на десятилетия вперед. Например, президент США Трамп уже пытается отозвать у Калифорнии полномочия в соответствии с Законом о чистом воздухе устанавливать свои собственные стандарты загрязнения и требования к электромобилям. В случае успеха Трамп отменит законопроекты, подобные предложенному законодательным собранием штата в прошлом году о прекращении производства и регистрации новых бензиновых автомобилей в Калифорнии к 2040 году.

Но риторика призывает автопроизводителей готовиться, как только технология будет готова. «Эти правительства сигнализируют миру, что им необходимо перейти на автомобили с нулевым уровнем выбросов, чтобы достичь своих целей в области климата и качества воздуха», - говорит он. «Все их модели [выбросов] говорят об одном и том же: они не могут достичь своих целей в области климата и выбросов в кратчайшие сроки без транспортных средств с нулевым уровнем выбросов».

Даже без конкретных законов страны полагаются на кнут и пряник. Большинство так называемых «запретов» на двигатели внутреннего сгорания на самом деле являются ограничениями на продажу новых автомобилей с дизельным двигателем, наряду с финансовыми стимулами или штрафами для ускорения продаж электромобилей и транспортных средств на альтернативном топливе в ближайшие годы.Европейские страны проводят самую агрессивную политику, чтобы склонить чашу весов против бензина и дизельного топлива. Норвегия, где в 2017 году 52% продаж новых автомобилей приходилось на электромобили, дарит покупателям электромобилей тысячи долларов в виде льгот, таких как бесплатная или субсидируемая парковка, дорожные сборы и зарядка, а также щедрые налоговые льготы. В Великобритании, где покупатели также получают налоговые льготы на экологически чистые автомобили, Лондон расширяет «зону сверхнизких выбросов», вводя ежедневную плату в размере 12,50 фунтов стерлингов (16,39 доллара США) за автомобили, которые считаются слишком загрязняющими (обычно это обычные автомобили, зарегистрированные после 2005 года).Эти стандарты вступят в силу в апреле следующего года и со временем будут ужесточаться.

В другом месте заявления, в лучшем случае, обнадеживающие, сказал Лютси. По его словам, большинство из них сводится к «звуковым фрагментам, цитатам из служителей, ответам на вопросы СМИ после выступлений и общей публикации в Интернете». Задача Индии по выпуску полностью электрических транспортных средств к 2030 году зависит от снижения затрат. Китай просто начал «соответствующие исследования» для определения графика поэтапного отказа от двигателей внутреннего сгорания. Даже канцлер Германии Ангела Меркель, которая назвала постепенный отказ Великобритании и Франции от автомобилей, работающих на ископаемом топливе, к 2040 году «правильным подходом», отказалась назвать дату.

Эффект распространяется на автомобильную промышленность, несмотря ни на что. За последние два года автопроизводители поспешили развернуть планы по электрификации своих автомобилей. Daimler потратит 11,7 миллиарда долларов на строительство 10 полностью электрических и 40 гибридных моделей с планами электрифицировать всю свою линейку, сообщает Reuters. Volkswagen AG планирует электрифицировать около 300 своих моделей к 2030 году. Ford заявляет, что делает ставку на электромобили, в то время как GM добавляет еще две электрические модели наряду с Chevy Bolt, в конечном итоге полностью отказавшись от двигателя внутреннего сгорания.Китайская компания Volvo выпускает электрические модели только с 2019 года.

Тем не менее, пройдут десятилетия, прежде чем эти новые автомобили смогут вытеснить свои традиционные аналоги. Автопроизводители должны проектировать новые автомобили, расчищать существующие запасы и ждать, пока автопарк обновится, пока водители обменивают старые автомобили (в США это около 11 лет). По оценкам FleetCarma, на то, чтобы соответствовать новому закону, требуется около 18 лет, чтобы всего половина автомобилей на дорогах соответствовала требованиям. Поскольку средний автомобиль дольше находится в обращении, автомобили, покупаемые сегодня, легко столкнутся с предлагаемыми запретами в некоторых странах.

Отвращение политиков к двигателям внутреннего сгорания, возможно, уже снижает рыночную долю дизельных автомобилей и их стоимость при перепродаже. Хотя мошенничество Volkswagen с загрязнением является одним из факторов, запрет на дизельное топливо, похоже, дает эффект. ICCT сообщает, что доля новых регистраций дизельного топлива упала на 8% с 2015 года во Франции, Германии, Италии, Испании и Великобритании. В Великобритании и Германии дизельные автомобили потеряли от 6% до 17% своей стоимости при перепродаже в первой половине 2017 года. Многие ожидают, что тот же сценарий вскоре поразит и бензиновые автомобили.

Изменения в городах и таких странах, как Норвегия, будут происходить относительно быстро, но глобальная траектория будет медленной и устойчивой. Не раньше 2025 года или около того средняя стоимость электромобиля упадет ниже, чем у бензинового или дизельного автомобиля (в большинстве случаев уже намного дешевле эксплуатировать электромобиль). Однако когда это произойдет, политики смогут свободно принимать законы, которые они обещали, когда будет готова доступная технология для замены двигателей внутреннего сгорания.

Quartz рассмотрел все объявления, ограничивающие использование автомобилей с двигателями внутреннего сгорания по всему миру.Ни одно из них не означало юридических запретов, но большинство из них устанавливали цели и сроки поэтапного отказа от дизельных, а затем и бензиновых двигателей в период с 2025 по 2050 год. Краткое изложение каждого объявления приводится ниже.

Юрисдикция Что ограничено? Источник
Копенгаген, Дания Запрет ввоза новых дизельных автомобилей в столицу Дании

Мэр Копенгагена заявил в прошлом году, что он введет закон, запрещающий дизельные автомобили, зарегистрированные после 2018 года.«Это не право человека - загрязнять воздух для других. Вот почему необходимо постепенно отказываться от дизельных автомобилей », - сказал он датской газете Politiken

Рим, Италия Запрет дизельных автомобилей из центра города к 2024 году Мэр Вирджиния Рагги объявил о плане запретить дизельные автомобили в центре города к 2024 году. «Если мы хотим серьезно вмешаться, мы должны набраться смелости и принять решительные меры», - написала она 27 февраля на своей странице в Facebook.
Норвегия Целевой показатель отсутствия продаж новых бензиновых или дизельных автомобилей к 2025 году В 2016 году норвежские политики согласились с амбициозной целью поэтапного отказа от всех обычных автомобилей: «Существует соглашение о нулевом объеме новых ископаемых видов топлива. Топливные автомобили проданы с 2025 года.Нет прямого запрета, но требуются решительные действия », - написал в Твиттере тогдашний министр окружающей среды и изменения климата Норвегии Видар Хельгесен в 2016 году. Сегодня почти 40% всех автомобилей, продаваемых в Норвегии, - электрические или гибридные.
Афины, Париж, Мадрид, Мехико Окончательное использование всех дизельных автомобилей к 2025 году На конференции 2016 года руководители города обязались «прекратить использование всех дизельных автомобилей и грузовиков к середине 2015 года. следующее десятилетие »и стимулировать электромобили, водородные и гибридные автомобили.
Париж Запрет на дизельное топливо в городе к 2025 году. Запрет на все автомобили внутреннего сгорания к 2030 году. Париж пообещал запретить дизельные двигатели к 2025 году и постепенно отказаться от всех автомобилей с двигателем внутреннего сгорания к 2030 году. - сказал Кристоф Найдовски, глава отдела транспортной политики Парижа в октябре 2017 года, - сказал Кристоф Найдовски, руководитель отдела транспортной политики Парижа. или транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, к 2030 году.»
Индия К 2030 году не будет новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем (если это экономично) В 2017 году правительство Индии заявило о« амбиции, согласно которой к 2030 году все автомобили, продаваемые в Индии, могут быть электрическими ». План энергетического ведомства будет зависеть от того, насколько сильно упадут затраты на электромобили, чтобы сделать его экономичным.
Ирландия К 2030 году не будет новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем К 2030 году в стране будет запрещена продажа всех автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем.Такие города, как Дублин, обязаны покупать электрические автобусы только после 2018 года.
Израиль Запретить ввоз всех автомобилей с бензиновым и дизельным топливом к 2030 году. Разрешены только автомобили на природном газе и электромобили. Министр энергетики Юваль Стейниц заявил на конференции в феврале прошлого года, что «с 2030 года Государство Израиль будет создавать альтернативы и больше не будет разрешать импорт автомобилей, работающих на бензине и дизельном топливе. … Мы намерены достичь ситуации, при которой промышленность Израиля будет основана на природном газе, и, что наиболее важно, транспортировка в Израиле будет основываться на природном газе или электричестве.”
Брюссель, Бельгия Запрет дизельного топлива в бельгийской столице к 2030 году Правительство Брюсселя согласилось ввести запрет на дизельное топливо в столице Бельгии к 2030 году. Ограничения на бензиновые автомобили рассматриваются.
Нидерланды Все автомобили будут свободны от выбросов к 2030 году В октябре 2017 года в соглашении голландской парламентской коалиции было заявлено, что «цель состоит в том, чтобы к 2030 году все новые автомобили были свободны от выбросов. автомобили будут приведены в соответствие с этими амбициями.(Стр. 39, документ на голландском языке)
Франция К 2030 году не будет продаж новых автомобилей с бензиновым или дизельным двигателем В климатическом плане правительства Франции на 2017 год содержится обещание «вывести с рынка автомобили с выбросами парниковых газов к 2040 году: остановка продажи бензиновых или дизельных автомобилей будут стимулировать производителей автомобилей к инновациям и лидерству на этом рынке ».
Соединенное Королевство К 2040 году не будет продажи обычных бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов. Снизить до нуля национальные выбросы от транспортных средств к 2050 году. Правительство Великобритании обязалось прекратить продажи новых обычных бензиновых и дизельных автомобилей и фургонов к 2040 году. Вместо полного запрета бензиновых и дизельных транспортных средств оно заявляет (платный доступ), что «большинство» новых автомобилей и фургонов, проданных к 2040 году, должно быть нулевым. выбросы, и все они должны иметь «способность» к нулевым выбросам (например, гибриды). К 2050 году Великобритания заявляет, что сократит выбросы от транспортных средств практически до нуля к 2050 году, а к 2050 году «почти все автомобили и фургоны» будут без выбросов. Парламент Шотландии объявил о более амбициозных планах по поэтапному отказу от бензиновых и дизельных автомобилей к 2032 году.
Тайвань Никаких новых неэлектрических мотоциклов к 2035 году и четырехколесных транспортных средств к 2040 году Согласно плану Управления по охране окружающей среды страны, к 2035 и 2040 годам, соответственно, будут запрещены все продажи неэлектрических мотоциклов и четырехколесных транспортных средств.
Китай Дата прекращения использования двигателей внутреннего сгорания не указана. Китай разрабатывает долгосрочный план по поэтапному отказу от двигателей внутреннего сгорания, сообщил Синь Гобинь, правительственный чиновник из Министерства промышленности и информационных технологий.«Некоторые страны установили график, когда прекратить производство и продажу традиционных топливных автомобилей», - сказал он китайским государственным СМИ в сентябре прошлого года, отметив, что министерство начало «соответствующее исследование», чтобы завершить график. «Эти меры, безусловно, внесут глубокие изменения в развитие нашей автомобильной промышленности». Эксперты ожидают (платный доступ), что страна введет запрет на поэтапный отказ наряду с контролем за выбросами углерода, который ожидается примерно в 2030 году.
Германия Ожидается запрет на продажу новых дизельных автомобилей.Рассмотрение запрета на все двигатели внутреннего сгорания к 2040 году по аналогии с Великобританией и Францией.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *