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

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

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

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

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

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

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 .

Технические характеристики генератора и двигателя

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).

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.

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.

( 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.

( 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.

( 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.

( 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 .

( 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.

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

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.

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.