Кпд дизельного двигателя: КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя – что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать).

Все это его делает чемпионом по КПД.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

• Вид топлива.
• Способ образования топливно-воздушной смеси.
• Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

КПД дизельного двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) является величиной, которая в процентном отношении выражает эффективность того или иного механизма (двигателя, системы) касательно преобразования полученной энергии в полезную работу.

Что касается двигателя внутреннего сгорания (ДВС), такой силовой агрегат осуществляет преобразование тепловой энергии. Данная высвобождающаяся энергия является результатом сгорания топлива в цилиндрах двигателя. КПД мотора представляет собой фактически совершенную механическую работу, которая состоит в соотношении полученной поршнем энергии от сгорания топлива и конечной мощности, которая отдается установкой на коленчатом валу ДВС.

Содержание статьи

Почему КПД дизеля выше

Показатель КПД для различных двигателей может сильно отличаться и зависит от ряда факторов. Бензиновые моторы имеют относительно низкий КПД благодаря большому количеству механических и тепловых потерь, которые возникают в процессе работы силового агрегата данного типа.

Вторым фактором выступает трение, возникающее при взаимодействии сопряженных деталей. Большую часть расхода полезной энергии составляет приведение в движение поршней двигателя, а также вращение деталей внутри мотора, которые конструктивно закреплены на подшипниках. Около 60% энергии сгорания бензина расходуется только на обеспечение работы этих узлов.

Дополнительные потери вызывает работа других механизмов, систем и навесного оборудования. Также учитывается процент потерь на сопротивление в момент впуска очередного заряда топлива и воздуха, а далее выпуска отработавших газов из цилиндра ДВС.

Если сравнить дизельную установку и мотор на бензине, дизельный двигатель имеет заметно больший КПД сравнительно с бензиновым агрегатом. Силовые агрегаты на бензине имеют КПД на отметке около 25-30% от общего количества полученной энергии.

Другими словами, из потраченных на работу двигателя 10 литров бензина только 3 литра израсходованы на выполнение полезной работы. Остальная энергия от сгорания топлива разошлась на потери.

Что касается КПД атмосферного дизельного агрегата, то этот показатель составляет около 40%. Установка турбокомпрессора позволяет увеличить отметку до внушительных 50%. Использование современных систем топливного впрыска на дизельных ДВС в сочетании с турбиной позволило добиться КПД около 55%.

Такая разница в производительности конструктивно схожих бензиновых и дизельных ДВС напрямую связана с видом топлива, принципом образования рабочей топливно-воздушной смеси и последующей реализацией воспламенения заряда. Бензиновые агрегаты более оборотистые по сравнению с дизельными, но большие потери связаны с расходами полезной энергии на тепло. Получается, энергия бензина менее эффективно превращается в полноценную механическую работу, а большая доля попросту рассеивается системой охлаждения в атмосферу.

Мощность и крутящий момент

При одинаковом показателе рабочего объёма, мощность атмосферного бензинового мотора выше, но достигается при более высоких оборотах. Двигатель нужно «крутить», потери возрастают, увеличивается расход топлива. Также необходимо упомянуть крутящий момент, под которым в буквальном смысле понимается сила, которая передается от мотора на колеса и движет автомобиль. Бензиновые ДВС выходят на максимум крутящего момента при более высоких оборотах.

Аналогичный атмосферный дизель выходит на пик крутящего момента при низких оборотах, при этом расходует меньше солярки для выполнения полезной работы, что означает более высокий КПД и экономию топлива.

Солярка образует больше тепла по сравнению с бензином, температура сгорания дизтоплива выше, показатель детонационной стойкости более высокий. Получается, у дизельного ДВС произведённая полезная работа на определенном количестве топлива больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

Дизельное топливо состоит из более тяжелых углеводородов, чем бензин. Меньший КПД бензиновой установки сравнительно с дизелем также заключаются в энергетической составляющей бензина и особенности его сгорания. Полное сгорание равного количества солярки и бензина даст больше тепла именно в первом случае. Тепло в дизельном ДВС более полноценно преобразуется в полезную механическую энергию. Получается, при сжигании одинакового количества топлива за единицу времени именно дизель выполнит больше работы.

Также стоит учитывать особенности впрыска и создание надлежащих условий для полноценного сгорания смеси. В дизель топливо подается отдельно от воздуха, впрыскивается не во впускной коллектор, а напрямую в цилиндр в самом конце такта сжатия. Результатом  становится более высокая температура и максимально полноценное сгорание порции рабочей топливно-воздушной смеси.

Итоги

Конструкторы постоянно стремятся повысить КПД как дизельного, так и бензинового двигателя. Увеличение количества впускных и выпускных клапанов на один цилиндр, активное применение систем изменения фаз газораспределения, электронное управление топливным впрыском, дроссельной заслонкой и другие решения позволяют существенно повысить коэффициент полезного действия. В большей мере это касается дизельного двигателя.

Благодаря таким особенностям современный дизель способен  полностью сжечь насыщенную углеводородами порцию дизтоплива в цилиндре и выдать большой показатель крутящего момента на низких оборотах. Низкие обороты означают меньшие потери на трение и возникающее в результате трения сопротивление. По этой причине дизельный мотор сегодня является одним из наиболее производительных и экономичных типов ДВС, КПД которого зачастую превышает отметку в 50%.

 

Читайте также

Двигатель с КПД выше 50 %

Конференция в Цзинань

16 сентября 2020 года корпорация Weichai, ведущая в области двигателестроения в Китае, во главе с председателем Таном Сюйгуаном – провели пресс-конференцию в г. Цзинань провинция Шаньдун. В ходе которой было официально объявлено о выпуске первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50%.

На конференции немецкая TÜV SÜD (всемирная организация по инспектированию и сертификации) и «Китайский исследовательский центр автомобильных технологий» вручили корпорации Weichai сертификат, подтверждающий, что эффективный КПД нового дизельного двигателя WP13H560E65 превысил 50,26%.

История создания

Эффективный КПД – это критерий оценки эффективности использования топлива в двигателе внутреннего сгорания. Чем выше этот показатель, тем меньше расход топлива, и выше энергоэффективность, а уровень выбросов ниже. С 1897 года, когда впервые был успешно использован двигатель внутреннего сгорания, и за сто лет модернизации и технологических инноваций эффективный КПД дизельного топлива вырос с 26% до 46%. На сегодняшний день с постоянным ужесточением нормативов выбросов, процесс роста эффективного КПД значительно замедлился. Данная проблема стала общемировой технологической трудностью в отрасли двигателестроения.

Корпорация Weichai активно работает в области двигателестроения уже более 70 лет. За этот период корпорация накопила обширную интеллектуальную базу и опыт в производстве и разработке дизельных двигателей. Weichai постоянно совершенствует ключевые технологии. За последние 10 лет корпорация инвестировала 4,5 миллиардов долларов, привлекла более 200 докторов наук, более 300 высококвалифицированных специалистов со всего мира, более 3000 исследователей для участия в разработках. Такие меры позволили корпорации осуществить скачок в развитии собственных инновационных технологий в области дизельных двигателей. В г. Вэйфан в Китае корпорация построила крупнейший в мире завод, способный изготавливать и продавать ежегодно более 1 миллиона единиц двигателей.

Последние несколько лет корпорация Weichai наращивала потенциал, который был направлен на проекты по повышению эффективного КПД. Этот процесс еще сильнее ускорился в 2015 году, когда была сформирована специальная команда по технологическим инновациям, которая осуществляла огромное количество моделирований и стендовых испытаний, изучила и проанализировала тысячи разных проектов, постоянно пробовала и совершенствовала существующие решения, фиксировала повышение эффективного КПД на каждые 0,1%, пока наконец не добилась исторического прорыва. Были разработаны пять специальных технологий – технология согласованного сгорания, технология согласованного проектирования, технология распределения энергии выхлопа, технология зонирования смазки и технология интеллектуального управления. Благодаря этим технологиям удалось решить ряд общих для всего мира трудностей и добиться – эффективного сгорания, низкой теплопередачи, высокой надежности, низких потерь на трение, низкого уровня выброса загрязняющих веществ и интеллектуального управления. Это позволило создать двигатель с эффективным КПД выше 50%.

Технология согласованного сгорания позволила сбалансировать соотношение между скоростью, концентрацией и другими физическими процессами в камере сгорания благодаря оптимизации проектирования газовых каналов, впрыска топлива, камеры сгорания и других систем. Это позволило в свою очередь повысить скорость сгорания на 30%.

Технология согласованного проектирования направлена на усовершенствование сгорания при чрезвычайно ограниченном запасе прочности при максимальном давлении сгорания. Изменение массы отдельных деталей и дальнейшее укрепление цельной конструкции позволило повысить устойчивость системы к высокому давлению сгорания почти на 60%.

Технология распределения энергии выхлопа направлена на решение проблемы значительного повышения сложности контроля выбросов загрязняющих веществ, вызванной усовершенствованием процессов сгорания.

Технология зонирования смазки заключается в целевом применении различных технологий снижения трения в зависимости от свойств фрикционных пар системы. Данная технология позволила снизить трение системы на 20%.

Технология интеллектуального управления заключается в использовании преимуществ собственного электронного блока управления корпорации Weichai и разработке ряда более точных моделей прогнозирования, которые позволяют повысить эффективность каждой зоны работы дизельного двигателя.

Рост эффективного КПД выше отметки в 50% является революцией в мировом развитии двигателестроения. Свои поздравления в достижении корпорацией Weichai этого исторического прорыва выразили: немецкая корпорация Bosch, австрийская AVL, немецкая FEV, американское Сообщество инженеров-автомехаников, Китайская ассоциация машиностроения, Китайская ассоциация промышленности двигателей внутреннего сгорания, другие авторитетные организации и специалисты.

Корпорация Weichai не только объявила о выходе первого в мире дизельного двигателя с эффективным КПД, превышающим 50%, но также смогла добиться соответствия требованиям уровня выбросов, соответствующих национальному стандарту G6/EU-VI, первой создала возможности для серийного производства и коммерциализации продукта. Специалисты по отрасли указывают на то, что повышение эффективного КПД с предыдущего уровня с 46% до 50% позволит снизить расход дизельного топлива на 8% и снизить уровень выбросов CO2 на 8%. Если отталкиваться от текущей оценки, согласно которой количество тяжелых дизельных двигателей на китайском рынке достигает 7 миллионов, то в случае замены всех дизельных двигателей на новые можно будет добиться экономии около 33,32 миллионов тонн дизельного топлива в год и снижения выбросов СО2 на 104,95 миллиона тонн. Это станет огромным вкладом для решения экологических проблем.

Объявление о разработке первого в мире коммерческого дизельного двигателя с эффективным КПД выше 50% ознаменовало выход китайских технологий тяжелых дизельных двигателей на мировой уровень. В ходе проекта по разработке двигателя корпорация Weichai пользовалась поддержкой немецкой корпорации Bosch и других ведущих мировых организаций. На пресс-конференции Тан Сюйгуан объявил также о том, что в будущем корпорация Weichai будет открыта к сотрудничеству и партнерству с компаниями со всего мира для движения к новой цели – создания дизельных двигателей с эффективным КПД 55%!

КПД двигателя и топливная эффективность

  КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
СТАТЬЯ №1
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ,
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?

Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом. Итог всего этого — как в известной пословице – «гора родила мышь».
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя.
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны. Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.
В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
* * *

   Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД . 
Первое значение указывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла превращается в полезную работу, а какая зазря уходит в окружающее пространство. Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе.
Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности. Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.

Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;

Суть этих значений такова:
Топливная эффективность — показывает, какое количество топлива эффективно сгорело в двигателе и превратилась в объем рабочих газов высокой температуры и высокого давления, а какая часть топлива так и не была сожжена и в виде продуктов неполного сгорания, обугленных частиц (в виде дыма, копоти и сажи), или вообще практически в виде чистых паров топлива, прошла двигатель напрямую и вылетела в выхлопную трубу. Когда вы стоите рядом со старым работающим отечественным автомобилем, особенно с грузовиком, и чувствуете сильный запах бензина – этот результат как раз дает такой неэффективных тип частичного сгорания топлив;.
Термический КПД – показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;

   Рассмотрим, кратко все эти позиции: 
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось. Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). Т.е. в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива. Для 2-х тактных двигателей это значение еще меньше.
Термический КПД – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами
. Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.

    В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.  
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
 Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти «минусы баланса» — это никак не потери работы или убытки тепла. Это потери, топлива в чистом виде. Т.е. это потери ни в джоулях, ни в атмосферах, а в граммах и литрах. А к таким потерям нельзя применить измерение или учет по категории потерянное давление или упущенное тепло, бесполезное действие или излишне затраченная работа. Поэтому чисто по правилам формальной логики    КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ и не должен учитывать эти потери. Для этой цели должен быть иной индикатор и определитель, но его в широком употреблении такого четкого и внятного параметра нет. Вот мы и получаем заведомо урезанный и излишне благостный показатель эффективности современных двигателей – показатель КПД, который учитывает только часть потерь…
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…

РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС

Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше. И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.

* * *
    Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок. 
Задача – получить двигатель ПОЛНОСТЬЮ сжигающий топливо в своих камерах сгорания и полностью переводящий энергию химических связей топлива в тепло и большой объем простых газов горения, типа водяного пара и СО2.
    Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
    Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек. Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух. 
Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения. Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса.
    Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.  
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности. В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь.

    В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
— расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.

    Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил. 

    Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода. Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка. Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее. 
    Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру. 
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп. И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
    На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ». Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе». 
    Путь избавления от этого недостатка: 
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
    В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно. Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре. Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.

* * *
Второй уровень потерь – значительные потери тепла, полученного от сгорания «усвоенного двигателем топлива».
Тепловой баланс бензинового двигателя складывается таким образом :
1) – тепло переводимое в полезную работу: 35%;
2) – тепло теряемое с выхлопными газами : 35%;
3) – тепло теряемое от потерь через систему охлаждения: 30%;

   Задача – получить двигатель имеющий минимальные потери тепла во внешнюю среду. В идеале можно поставить задачу создать двигатель с термическим КПД в 80%. Но даже если удастся добиться этого показателя в 65-70%, вместо 35 % на сегодня, это будет огромный скачок вперед. Т.е. двигатель той же мощности при таком КПД начнет расходовать в 2 раза меньше топлива, чем прежде. 

   Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях такие большие потери тепла «на сторону»? Что приводит к такому печальному положению?

   Первая категория тепловых потерь — потери тепла с отводом через стенки цилиндров с системой охлаждения. Вообще для повышения значения термического КПД охлаждать двигатель не следует совсем. От этого температура деталей двигателя сразу поднимется- и от этого обуглится масло (которое создает пленку для легкого скольжения на поверхностях трения), и поршень перестанет легко двигаться в цилиндре и двигатель скоро заклинит. Здесь мы снова напарываемся на противоречия совмещения в одном такте двух процессов – горения и расширения. Температура во время вспышки горения в начальном периоде поджига РСм – достигает 3000 С°. А предельная температура масла, когда оно еще смазывает и спасает от трения, это 200 – 220 градусов. При превышении этого температурного порога масло начинает «гореть» и обугливаться. Для обеспечения высокого КПД двигатель охлаждать не разумно, но для обеспечения возможности движения основного рабочего органа – поршня, смазка жизненно необходима… Т.е. система охлаждения, позволяющая поршню двигаться в цилиндре — резко снижает термический КПД двигателя. Это осознанное и необходимое уменьшение КПД. 

    Вторая категория тепловых потерь – потери тепла с выхлопными газами. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров для разных типоразмеров и двигателей колеблется от 800 до 1100 С°. Поэтому в работающем на высоких оборотах двигателе выхлопные коллекторы порой начинают раскаляться до малинового свечения… Это значит только одно — энергия горения топлива, превратившаяся во внутреннюю энергию газов горения в виде их высокой температуры, теряется безвозвратно и совершенно бесполезно. Именно через этот канал «тепловых убытков» современные ДВС теряют около 35% энергии горения топлива. И превратить эту энергию в полезную работу чрезвычайно сложно, максимум, что удалось сделать – это вставить в выхлопной тракт турбину, которая крутит компрессор турбонадува. Этим достигается повышение давления воздуха, попадающего в цилиндры. И этим немного увеличивается КПД. Но – надо понимать, что турбина «улавливает» не повышенную температуру, а избыточное давление газов, покидающих цилиндр. Т.е. это немного другая тема и экономия иного рода. 
    Таким образом оказывается, что поршневой мотор плохо «перерабатывает» не только температуру, но и высокое давление рабочих газов. На самом деле – на выхлоп идут рабочие газы с избыточным давлением в 8 – 10 атмосфер. Это очень немало, стоит только вспомнить, что первые паровые машины в начале 19-го века имели рабочее давление в 3 или 3,5 атмосферы и успешно работали на угольных шахтах и в металлургических заводах, как и двигатели первые паровозы.
    Тут все дело кроется в одинаковых геометрических размерах объема сжатия и объема расширения. У поршневого двигателя они равны, и ничего тут не поделаешь. В идеале – эти объемы должны быть разными. Ухищрение типа цикла Аткинсона, когда в поршневых двигателях объем сжатия оказывается меньше, чем объем расширения, малоэффективны, так как резко снижают силу крутящего момента двигателя. 
    Но увеличение объема камеры расширения позволит лишь превращать в полезную работу весь излишек избыточного давления, а вот повышенную температуру раскаленных газов горения топлива этим методом утилизировать не удастся. Единственно, что пришло на ум инженерам, так это для превращения высокой температуры в работу — впрыскивать в цилиндры воду. По идее: вода, превращаясь в пар высокого давления, будет резко повышать давление образовавшейся паро-газовой смеси и при этом значительно понижать её температуру. Но, в поршневом двигателе за более чем 80 лет усилий в этом направлении так ничего эффективного и работоспособного создать и не получилось. Поршневая схема двигателя внутреннего сгорания оказалась очень враждебной этой идее и не позволила встроить в цикл работы двигателя паровой такт или паровую фазу. 

   Надо сказать, что по основополагающему закону термодинамики, сформулированному почти 200 лет назад С. Карно, тепловой двигатель с предельно возможным КПД должен иметь максимальную температуру рабочих газов в начале рабочего цикла, и минимальную температуру рабочих газов в конце цикла. 
Но в поршневом двигателе внутреннего сгорания максимально высокую температуру газов на первом этапе цикла мешает получить система охлаждения, а минимально избыточную температуру газов в конце цикла мешает получить невозможность встроить в схему двигателя паровую составляющую.
В итоге мы сегодня пользуемся двигателями с термическим КПД около 35%, не многим лучше, чем 60 или 70 лет назад…

   Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, позволяющую проводить процесс сгорания топлива в теплоизолированной камере сгорания (для достижения максимальной температуры в начале рабочего цикла), а так же позволяющую включать на завершающем этапе работы горячих газов горения паровую фазу (для достижения минимальной температуры в конце рабочего цикла). Так же такая конструкция двигателя позволит обходиться без обособленной и громоздкой системы охлаждения, которая бы «выкидывала» тепло во внешнюю среду.

   Заодно — двигателю не нужна будет громоздкая и тяжелая выхлопная труба, которая в традиционных поршневых моторах гасит грохот от отработавших газов, вылетающих «выстрелами» с избыточным двлением в 8-10 атмосфер. Ибо в предлагаемой конструкции избыточное давление выхлопных газов будет минимальным. 

* * *
   Третий уровень потерь – заметные потери мощности на преодоление сил трения, как и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, как и потери на привод вспомогательных механизмов. Эти потери определяются как механические потери. Они зависят от кинематической схемы двигателя. Но кроме собственно на механические потери, кинематическая схема и ее конструкция так же влияют на другой важнейший показатель работы, который не имеет прямого отношения к КПД: это режим и величина крутящего момента. 

   Задача – получить двигатель, имеющий минимальные механические потери. А так же обладающий постоянно действующим крутящим моментом высокого значения при небольших размерах самого двигателя. Высокий и стабильный крутящий момент позволяет обходиться без такой громоздкой и сложной системы транспортного средства как коробка переключения скоростей. Пример – транспорт с электродвигателями и паровыми двигателями. 

   Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: в стандартном поршневом (тронковом) двигателе реакция шатуна (поперечная составляющая этой реакции относительно оси цилиндра) на давление рабочих газов все время прижимает поршень то к одной стороне цилиндра, то к другой. Эта система работы двигателя требует постоянной смазки сильно трущихся поверхностей, и затрат на преодоление этих сил трения. Кроме того, при вращении кривошипа КШМ, проекция плеча, создающего крутящий момент, к вектору движения поршня все время меняется от «ноля» до «максимума» и обратно каждый рабочий ход. Такой все время скачкообразно пульсирующий режим крутящего момента малопригоден для привода исполнительных механизмов. И только на высоких оборотах поршневых двигателей сила крутящего момента заметно увеличивается. Но, высокие обороты (порядка 3-4 тыс. об. в мин.) не нужны большинству потребителей. Поэтому и приходится делать сложную и громоздкую коробку переключения передач, которая является неотъемлемой частью автомобилей, мотоциклов и пр. 
   Кроме того механический КПД заметно уменьшается за счёт отбора мощности двигателя на привод его вспомогательных механизмов — помпы системы охлаждения, вентилятора охлаждения, распредвалов и клапанов газораспределения, электрогенератора и пр. А еще заметные потери мощности вызывает необходимость сжатия рабочей смеси, и чем выше степень сжатия, тем эти потери выше. Кроме того, заметные потери мощности может вызывать излишне ранее зажигание, когда двигатель вынужден, в конце 2-го такта «сжатие», сжимать начинающие расширяться продукты горения. 
   Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, в котором бы давление рабочих газов не прижимало главный движущийся рабочий орган к неподвижному корпусу. При этом двигатель должен отличаться такой конструкцией, которая бы позволяла иметь постоянное плечо крутящего момента на всем пути движения главного рабочего органа двигателя. При этом на таком пути давление рабочих газов должно осуществляться как можно дольшее время, в идеале – стремиться к 100%. Напомню, что у 4-х тактных двигателей из полного цикла двигателя из 2-х оборотов вала, давление на поршень действует лишь пол оборота, да и то в режиме передачи этого давления с нестабильным плечом крутящего момента.

ИТОГ:
ИТАК- сформулируем условия, которые выдвигает научный подход, для того чтобы создать двигатель с высоким КПД:
1) Основные технологические процессы двигателя «горение» и «расширение» должны быть разделены и разнесены для реализации в разные технологические камеры. При этом сгорание должно происходить в запертой камере, в условиях нарастающей температуры и увеличивающегося давления.
2) Процесс сгорания должен происходить достаточное время и в условиях избытка воздуха. Это позволит на 100% сжигать рабочую смесь.
3) Объем камеры расширения должен быть значительно больше камеры сжатия, минимум на 50%, Это нужно для полноценного перевода давления рабочих газов в работу на главном рабочем органе.
4) Должен быть создан механизм перевода высокой температуры выхлопных газов в работу на главном рабочем органе. Для этого есть только одна реальная возможность – подача воды для превращения высокой температуры газов горения в давление получаемого пара.
5) Рабочий орган и вся кинематика двигателя должны быть устроены таким образом, чтобы как можно больший период цикла двигателя рабочий орган воспринимал давление рабочих газов, а плечо перевода силы этого давления все время было максимально возможным.

После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи совершенно невозможно. Поршневой ДВС не удовлетворяет ни одному из этих требований. Из этого факта следует следующий вывод – необходимо искать более эффективные, альтернативные поршневой схеме, конструкции двигателя. И самая близкая к необходимым требованиям оказывается схема роторного двигателя.
В своей работе над концепцией совершенного роторного двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Надеюсь, мне это удалось сделать.

Сравним содержание основных возможностей главных механизмов и технических принципов, применяемых в различных типах двигателей. Существующие моторы я буду сравнивать с концепцией совершенного роторного двигателя, над созданием которой тружусь уже некоторое количество времени.

СТАТЬЯ №2-1
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ: ВСЕ ХОРОШО В МЕРУ

  Все мы привыкли к тому, что экономичный и мощный двигатель должен иметь высокую степень сжатия. Поэтому на спортивных автомобилях двигатели всегда имеют высокую степень сжатия, а тюнинг двигателей (форсирование) для повышения мощности стандартных моторов массовых серий предполагает прежде всего увеличение их степени сжатия. 
Поэтому в широком массовом мнении закрепилась идея — чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше, так как это ведет к увеличению мощности мотора и повышению его КПД. Но — к сожалению, это положение верно лишь отчасти, а точнее, оно верно не боле чем на 50%.
История техники говорит нам, что когда в 1860-х годах появился первый ДВС Ленуара (который работал без сжатия), он лишь едва-едва превосходил по КПД паровые машины, а когда (через 15 лет) появился 4-х тактный ДВС Отто, работающий со сжатием, то КПД такой модели сразу превзошел на голову по экономичности все существовавшие тогда двигатели.
Но сжатие – не такой уж простой и однозначный процесс. Тем более, что достигать очень высоких степеней сжатия, не имеет смысла, да и это очень трудно технически.
  Первое: чем выше степень сжатия – тем больше рабочий ход поршня в цилиндре. Следовательно – больше линейная скорость движения поршня на высоких оборотах. Следовательно – тем больше инерционные знакопеременные нагрузки, действующие на все элементы кривошипно-шатунного механизма. При этом — еще и повышаются уровни давления в цилиндре. Поэтому у двигателя с высокой степенью сжатия и длинным рабочим ходом все элементы и детали мотора должны быть повышенной прочности, т.е. толстыми и тяжелыми. Именно поэтому дизеля не бывают маленькими и легкими. Поэтому не создано малых дизелей для мотоциклов, для подвесных лодочных моторов, легкой авиации и пр. Именно поэтому подвергнутые серьезному тюнингу – «пережатые» стандартные авто моторы имеют столь малый моторесурс.
  Второе: чем выше степень сжатия, тем сильнее риск детонации со всеми вытекающими разрушительными последствиями. Заправка бензином с невысоким качеством может попросту разрушить такой мотор. О детонации – читайте в специальной СТАТЬЕ. Т.е. на определенной степени сжатия приходится применять все более дорогой и специальный бензин или особые присадки к нему. В пятидесятые — шестидесятые годы магистральной линией двигателестроения, особенно в США, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
  Однако – достигать предельно возможных степеней сжатия нет никакого смысла. Дело в том, что термический КПД двигателя нарастает с повышением степени сжатия, но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Т.е. после достижения определенного порога степени сжатия ее дальнейшее повышение не имеет смысла, ибо выигрыш будет минимальным, а нарастающие трудности – огромными. 

* * *
При внимательном анализе возможностей работы разных типов двигателей и поиске путей повышения их эффективности можно найти возможности, отличные от постоянного повышения степени сжатия. И они будут гораздо более эффективными и качественными, чем высокое повышение степени сжатия.
Для начала разберемся – а что дает собственно высокая степень сжатия. А дает она следующее:
— дает высокую длину рабочего хода, т.к. в поршневом двигателя длина хода сжатия равна ходу длины расширения;
— сильное давление в заряде рабочей смеси, при котором происходит сближение молекул кислорода и топлива. От этого процесс горения подготавливается лучше и идет быстрее.

По первой позиции можно дать такие комментарии: действительно, экономичность дизелей во многом обязана тому, что они имеют большую длину рабочего хода. Т.е. увеличение длинны хода расширения значительно более серьезно влияет на повышение эффективности и экономичности двигателя, чем повышение длины хода сжатия. Это дает возможность снимать с давления рабочих газов больше пользы – газы работают на большее перемещение поршня. И если в «бензиновых» моторах диаметр поршня примерно равен длине рабочего хода, с соответствующей «степенью сжатия» и «степенью расширения», которые привязаны к длине хода поршня, то в дизельных двигателях этот параметр заметно больше. У классических низкооборотистых дизельных двигателей ход поршня больше, чем диаметр поршня на 15-30%. В судовых дизелях эта разница приобретает вообще вопиющий размер. Например, у огромного 14-цилиндрового дизельного двигателя для супертанкера производства финской фирмы Wartsila, рабочим объёмом 25 480 литров и мощностью 108 920 л.с. при 102 об/мин., диаметр цилиндра составляет 960 мм., при ходе поршня — 2500 мм.

При этом напомню- что такие судовые дизеля работают на сырой нефти, которая может выдерживать очень высокую степень сжатия при таком огромном ходе поршня. Но увеличение степени сжатия имеет и свои неприятные стороны – требует применения дорогих высокооктановых сортов бензина, увеличения веса мотора, а так же немалых затрат мощности двигателя на процесс сильного сжатия.
Попробуем разобраться – а не получится ли достичь близкого, и даже большего эффекта в наращивании мощности и увеличения КПД двигателя иными способами, т.е. без излишнего увеличения степени сжатия с нарастанием присущего подобному процессу негатива. Оказывается, что такой путь возможен. Т.е. всех обоих положительных аспектов от наращивания степени сжатия можно получить иными путями и без присущих для наращивания степени сжатия неприятностей.

Рассмотрение первой позиции – большая длинна рабочего хода. Главное для экономичности – это большая длинна рабочего хода, чтобы все рабочие газы по максимуму передали давление на поршень. А в поршневом моторе рабочий ход равен длине хода сжатия. Вот как-то и закрепилось мнение, что важнее всего – степень сжатия, а не степень расширения. Хотя в поршневом двигателе — эти значения равны. Поэтому и разделять их не имеет особого смысла.

Но в идеале – лучше сделать эти длинны хода разными. Так как повышение хода сжатия ведет к массе неприятных последствий, то его сделать умеренным. А вот ход расширения, как отвечающий по максимуму за экономичность и эффективность, сделать максимально большим. Но в поршневом моторе это сделать практически невозможно (или сделать очень трудно и сложно- пример двигатель Кушуля). Зато есть масса схем роторных двигателей, которые позволяют без особого труда разрешить эту дилемму. Т.е. возможность двигателю иметь умеренную степень сжатия и при этом значительную длину рабочего хода. 

  Рассмотрение второй позиции – активизация и высокая эффективность процесса сгорания топлива. Его высокая скорость и полнота. Это важное условие качества и экономичности работы двигателя. Но, оказывается, степень сжатия (обеспечение высокого давления) является не единственным, и даже не самым лучшим способом достижения такого результата.

Тут я позволю себе цитату из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.

   Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. если удастся обеспечить предельно высокую температуру среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет. 

   Из всех выше описанных теоретических подходов, можно сделать один вывод – мощный двигатель с высоким КПД может обойтись и без высокой степени сжатия, со всеми присущими для нее трудностями. Для этого в двигателе степень расширения должна быть заметно выше степени сжатия, а сгорание заряда свежей рабочей смеси должно происходить в предельно нагретой камере сгорания. При этом в процессе сгорания давление и температура должны повышаться за счет их естественного увеличения за счет энергии процесса горения. Т.е. камера сгорания должна герметично запираться и не менять свой объем в процессе сгорания. Следовательно: скоростного увеличения объёма камеры сгорания — с соответствующим падением давления и температуры (как это происходит в поршневом моторе) быть не должно. 
   Кстати- во время сгорания топливной смеси давление в запертой камере сгорания неизменного объема будет повышаться, т.е.сгорающие «второй серией» (более 60% от массы заряда) порции топлива будут сгорать при очень высокой степени сжатия (давление около 100 атм.) давление которого будет создано сгоранием первой части топлива. Тут надо зметить, что давление завершения такта сжатия даже у дизелей (этих нынешних рекродстменов по КПД) состалвяет не более 45-50 атм. 
Но оба этих вышеупомянутых условия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом соблюсти и обеспечить невозможно. Поэтому и работают поршневые двигатели на повышенных степенях сжатия, со всеми вытекающими трудностями, и никак не могут преодолеть планку КПД в 40% уже почти 100 лет.

   ИТОГ этой статьи таков – высокоэффективный двигатель большой мощности с высоким КПД может иметь умеренную степень сжатия, если будет иметь ход расширения, заметно больше чем ход сжатия. А сгорание рабочей смеси будет происходить в запираемой на время сгорания и не охлаждаемой камере (изохорный адиабатический процесс) при нарастающих температуре и давлении от энергии самого процесса сгорания. 
   В рамках идеи поршневого двигателя такую конструкцию создать невозможно, а вот в поле идей роторных двигателей подобные конструкции создать вполне реально. Чем и занимается автор этого текста и этого сайта. 

СТАТЬЯ №2-2
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ-2: ВЗГЛЯД В ИСТОРИЮ

26.01.13г.

   В первой части статьи я показал – что непрерывное повышение степени сжатия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом — единственный путь небольшого увеличения КПД двигателя, имеет четкие пределы своих возможностей. На степенях сжатия, приближающихся к 16, Рабочая Смесь с парами бензина даже октанового числа 100 начинает сгорать в режиме детонации, а детали и корпус двигателя становятся очень громоздкими и толстостенными (как в дизеле), чтобы выдерживать повышенные давления и великие инерционные нагрузки. Но огромные силы детонационного сгорания даже такие громоздкие и массивные детали разрушают очень быстро. 

   Но есть другие пути повышения КПД двигателя – это:
А) – увеличение температуры сгорания Рабочей Смеси (температуры в камере сгорания), чтобы добиться полного и быстрого сгорания паров бензина. При этом выделяется максимальное количество тепла и Рабочее Тело будет сильнее давить на поршень — т.е. совершать большую работу. По этому пути поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом и совмещенным процессом «горения-расширения» (3-й такт) идти не могут, так как масло (смазывающее стенки кинематической пары «поршень — цилиндр») при температуре 220 градусов уже начинает обугливаться и перестает смазывать. Именно поэтому цилиндр и поршень двигателя надо охлаждать, а это приводит в резкому снижению теплового КПД двигателя.
Б) – увеличение объема (степени) расширения Рабочего Тела (длины хода расширения) для полноценного расширения газов Рабочего Тела. Это позволит полностью использовать их избыточное давление. В современных поршневых двигателях на выхлоп идут газы с давлением в 5-8 атмосфер, что является значительными потерями. И это при том, что среднее эффективное давление поршневого двигателя составляет всего 10 атмосфер. Увеличить величину «срабатывания» этого давления мешает малая длина рабочего хода поршневого двигателя с КШМ (кривошипно-шатунным механизмом).
Если увеличить степень расширения газов Рабочего Тела в двигателе, то его КПД значительно увеличится и без необходимости повышения степени сжатия.

Давайте в этой статье обоснуем именно такую возможность.

   Итак, тема этой статьи: для повышения КПД можно и нужно увеличивать степень расширения Рабочего Тела (рабочих газов) без увеличения степени сжатия. Это должно привести к значительному повышению эффективности работы двигателя. В оптимуме надо иметь: степень сжатия может быть совсем невеликой – примерно 3-х кратной, это соответствует давлению в заряде сжатой Рабочей Смеси в 4 атмосферы, но степень расширения (длина линии рабочего хода) должна превосходить эту небольшую степень сжатия примерно в 6-8 раз. 
   Такая постановка вопроса может показаться странной и неразумной всем знатокам традиционных схем двигателей, которые привыкли к высоким степеням сжатия в поршневых моторах. Но именно о таком парадоксальном положении дел в реальности свидетельствует внимательное изучение конструкций двигателей внутреннего сгорания, которые создавались и работали на заре появления таких двигателей, т.е. в эпоху создания первых ДВС.

   Итак, первое заблуждение, которое работает на упрочнение мифа о необходимости создания высокой степени сжатия в двигателе, обосновывается тем, что первые двигатели внутреннего сгорания, которые создавались 150 лет назад, не сжимали предварительно Рабочую Смесь перед ее поджигом и поэтому имели совершенно мизерный КПД — почти такой же как и у примитивных паровых машин. 
   Действительно, первый действующий двигатель внутреннего сгорания конструкции Жана Ленуара (патент 1859 года) не имел предварительного сжатия Рабочей Смеси и работал с КПД в 4%. Всего 4 % — это как и прожорливые и громоздкие паровые машины того времени.
А вот первый образец 4-х тактного двигателя Николауса Отто, созданный в 1877 году, работал с предварительным сжатием Рабочей Смеси и при работе показал КПД в 22 процента, что для того времени было феноменальным достижением. При этом степень сжатия и степень расширения (как у всех нынешних поршневых ДВС с КШМ) у него были равны между собой.
На основании этих данных:
— КПД двигателя Ленуара без сжатия – 4%;
— КПД двигателя Отто со сжатием – 22 %;
делаются простые и ясные выводы – двигатель работающий с предварительным сжатием Рабочей Смеси работает по принципиально более эффективному режиму, и – чем больше степень сжатия – тем лучше. Этот вывод за 140 последних лет приобрел характер прописной истины и последние 100 лет двигателестроение идет по пути наращивания значения степени сжатия, которая сегодня уже достигла предельных значений.

   НО в изложении этой информации- есть одно большое НО…
Оказывается тот же Николаус Отто, прежде чем создать свой знаменитый 4-х тактный двигатель со сжатием в 1877 году, немного раньше – в 1864 году создал, выпускал и успешно продавал многими сотнями другое свое изобретение – атмосферный двигатель внутреннего сгорания, работающий без предварительного сжатия. КПД этого двигателя составлял 15%… Такой высокий КПД совершенно не укладывается в теорию, что сильное предварительное сжатие Рабочей Смеси совершенно необходимо для достижения значительных показателей КПД двигателя.
Что-то в этой теме было не так, чего-то не хватало для понимания очень важных сфактов, и я решил изучить эту ситуацию. И вот к каким выводам я пришел:
-совершенно ужасный – мизерный – КПД двигателя Ленуара получался потому, что он имел совершенно недопустимо малую СРЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
— а очень достойным КПД в 15 % атмосферный двигатель Отто, работающий без сжатия, обладал от того, что имел очень большую СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
Правда этот двигатель Отто имел очень плохой крутящий момент и очень неровный режим вращения главного вала, поэтому и потом был быстро вытеснен 4-х тактными дви-гателями. Но вот со значением КПД у него было очень прилично.

Итак – смотрим на двигатель Ленуара. Этот двигатель работал по 2-х тактному циклу. Вначале на линии рабочего хода поршень втягивал в себя светильный газ и воздух (Рабочую Смесь). Затем клапан подачи закрывался. Электрическая свеча давала искру — и Рабочая Смесь вспыхивала, и горячий газ усиленного давления толкал поршень дальше. Затем при обратном ходе поршень выталкивал продукты горения из цилиндра, и затем все повторялось вновь.

Т.е. в одном рабочем такте — на «линии расширения» — были совмещены ТРИ рабочих процесса:
— впуск Рабочей Смеси;
— горение Рабочей Смеси;
— расширение Рабочего Тела;
   Давайте внимательно посмотрим на габариты рабочих органов двигателя Ленуара и сделаем некоторые грубые расчеты. Диаметр поршня — 120 мм и ход поршня — 100 мм. Описания двигателя того времени сохранили данные о том, что на всасывание газа и воздуха отводилось расстояние примерно в половину длины «линии расширения». Затем клапан подачи закрывался и электросвеча давала искру. Т.е. на процесс расширения, вернее на объединённый процесс «горение-расширение» оставалось менее полвины длины рабочего хода… Искра поджигала смесь газа и воздуха, происходила вспышка, температура и давление газов в цилиндре резко увеличивалось и рабочее давление с усилием гнало поршень дальше.   Максимальный пик рабчего давления газов на поршень составлял 5 атмосфер. Но надо понимать- что Рабочая Смесь поджигалась в условиях все углубляющегося падения давления – ведь поршень продолжал двигаться создавая разрежение ниже атмосферного давления… В таких условиях поджигаться могла только очень «богатая» смесь, перенасыщенная газом. Соответственно — сгорание в таком режиме было крайне неполным, да еще и расшириться продуты сгорания вряд ли могли полноценно – ведь длина рабочего хода была крайне малой.   Т.е. для поршня диаметром в 120 мм. длина рабочего хода составляла менее 50 мм. Можно смело считать, что на выхлоп шли газы весьма высокого давления, да еще и перенасыщенные не сгоревшим светильным газом. Соответственно двигатель таких параметров имел мощность всего 0,5 лошадиной силы при частоте вращения вала в 120-140 оборотов в минуту. 
ВЫВОД- двигатель Ленуара имел такой низкий КПД и такую малую мощность прежде всего по причине очень малой длины рабочего хода (когда рабочие газы просто не имели возможности сработать) и очень неэффективной организации рабочих процессов, когда предельно «богатая» Рабочая Смесь поджигалась при давлении заметно ниже атмосферного в условиях активного расширения объема. Т.е. этот двигатель следовало обозначить, как двигатель, работающий с ПРедварительным РАСШИРЕНИЕМ (разрежением) Рабочей Смеси….

   ДАЛЕЕ – рассмотрим схему работы другого двигателя, работавшего без предварительного сжатия Рабочей Смеси, но имевшего КПД в 15 %. Это атмосферный двигатель Отто образца 1864 года. Это был очень необычный двигатель. Он по своей кинематике казался чем-то совершенно уродливым и не пригодным к работе, но при «корявой» кинематической схеме, он действовал по весьма рациональной схеме организации рабочих процессов и поэтому имел КПД в 15%. Цилиндр этого двигателя был установлен вертикально и поршень двигателя двигался вверх- вниз. При этом в этом двигателе не было КШМ, а поршень имел направленную вверх очень длинную зубчатую рейку, которая входила своими зубьями в зацепление с шестерней и вращала её.

При этом, когда под поршнем взрывалась Рабочая Смесь, и поршень мгновенно взлетал вверх – то шестеренка вращалась вхолостую, ибо специальный механизм отсоединял ее от маховика машины. Затем, когда поршень и рейка достигали крайней верхней точки, и давление рабочих газов в поршне переставало действовать, поршень и рейка под своим весом начинали путь вниз. В этом момент шестерня присоединялась к валу маховика, и начинался рабочий ход. Таким образом — двигатель действовал рывковыми импульсами и имел очень плохой режим кутящего момента. Двигатель к тому же имел малую мощность, так как усилие создавали только вес поршня и рейки (т.е. работала сила тяжести), а так же давление атмосферного воздуха, когда остывающими газами и поднятым вверх поршнем в цилиндре создавалось разряжение. Именно поэтому двигатель назывался атмосферным, ибо в нем вместе с силой тяжести работала и сила атмосферного давления.
   Но зато – в такой конструкции двигателя были крайне удачно организованы рабочие процессы. Рассмотрим, как были организованы и действовали рабочие процессы в этом двигателе. 

   Вначале специальный механизм поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и туда происходило всасывание смеси воздуха и газа. Далее поршень останавливался. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через особую трубку. При взрыве горючего газа давление под поршнем скачкообразно поднималось до 4 атм. Это действие подбрасывало поршень вверх, объём газа в цилиндре увеличивался и давление под ним падало, так как внутренний объем поршня не имел связи с атмосферой и был в этот момент герметично закрыт. При подбрасывании взрывом поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось значительное разрежение. В данном случае рабочий ход оказывался максимальной длинны, и продолжался до тех пор, пока вся энергия сгоревшего топлива (в виде избыточного давления Рабочего Тела) полностью не израсходовалась на подъем поршня. Заметьте, что на фотографии двигателя видно – длинна рабочего хода (высота цилиндра) многократно — в 6-8 раз больше диаметра поршня. Вот какой длины был у него рабочий ход. В то время как в современных поршневых моторах диаметр поршня примерно равен рабочему ходу. Только в дизелях – этих современных чемпионах экономичности – рабочий ход примерно на 20-30 процентов больше диаметра цилиндра. А тут – больше в 6 или даже 8 раз….
   Далее- поршень устремлялся вниз и начинался рабочий ход поршня под нагрузкой собственного веса и под действием атмосферного давления. После того, как давление сжимаемого в цилиндре газа на пути поршня вниз достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Все это время длинная зубчатая рейка крутила шестерню, соединенную валом с маховиком. Именно так производилась мощность двигателя. После возвращения поршня в нижнюю точку траектории движения все повторялось снова — спец механизм плавно поднимал его вверх и происходило всасывание свежей порции Рабочей Смеси. 

   В такой необычной схеме двигателя по причине предельно полного расширения нагретого Рабочего Тела КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и поэтому достигал 15 %. Кроме того – поджигание рабочей смеси в атмосферном двигателе Отто происходило при атмосферном давлении, тогда как в двигателе Ленуара этот процесс происходил в условиях нарастающего разрежения, т.е. в условиях нарастающего падения сил давления, когда давление оказывалось заметно меньше атмосферного. 
Еще нужно сказть, что по принципиильной схеме близкой к схеме этого двигателя сегодня работают копры — дизель-молоты. Правда подача и поджигание топлива в них устроено иначе, но общая принципиальная схема движения рабочего органа- та же самая.

   Есть еще одна особенность – которая играла на заметный рост КПД. Это особенности не было ни в двигателе Ленуара, нет ее и в современных 2-х и 4-х тактных двигателях.
В атмосферном двигателе Отто в момент поджигания Рабочей Смеси поршень стоял на месте, и при горении первых порций топлива в объеме сгорания создавалось нарастающее давление, т.е. порции топлива, которые сгорали во вторую, в третью и в последующую очередь – они сгорали в условиях нарастающего давления, т.е. сжатие Рабочей Смеси происходило за счет нарастаний давления от вспышки и выделения тепла первых порций горящего заряда. При этом инерционность давящей сверху на горящий газ системы – поршня, длинной рейки и атмосферного давления, создавала сильное сопротивление первому импульсу движения вверх, что и приводило к заметному повышению давления в среде горящего газа. Т.е. в атмосферном двигателе Отто горение Рабочей Смеси происходило в условиях резкого сжатия основного объема еще не начинающей гореть части заряда горючего газа. Хотя предварительного сжатия поршнем и не было. Именно это появляющееся во время горения заряда Рабочей Смеси фактическое сжатие значительной величины большей части паров топлива (вместе с рабочим ходом большой длинны) и играло на значительный КПД атмосферного двигателя Отто образца 1864 года.
А вот современные поршневые двигатели, как и двигатель Ленуара 150 лет назад, вынуждены поджигать свежий заряд Рабочей Смеси и условиях резко расширяющегося объема, когда поршень (а его очень мощно движет шатун и коленвал) отчаянно убегает от донышка цилиндра и расширяет объем «камеры сгорания». Для справки — скорость движения поршня в современных двигателях – 10-20 метров в секунду, а скорость распространения фронта пламени в сильно сжатом заряде паров топлива – 20-35 метров в секунду. Но в современных двигателях для устранения этого неприятного положения можно пробовать под-жечь заряд Рабочей Смеси «рано» — т.е. до достижения движущимся поршнем на линии завершения предыдущего такта Верхней Мертвой Точки (ВМТ), или в положении около этой точки. А вот в двигателе Ленуара это было невозможно, ибо после достижения поршнем ВМТ начинался процесс всасывания свежей порции горючего газа и воздуха, а ее поджигание возможно только в условиях резко увеличивающегося объема «камеры сгорания» и резкого падения давления в свежей порции Рабочей Смеси ниже атмосферного. Именно поэтому двигатель Ленуара и имел такой предельно низкий КПД.

   Можно предположить, что если бы атмосферный двигатель Отто имел искровое электрическое зажигание (как более ранний двигатель Ленуара), то его КПД мог бы вполне приблизиться к 20%. Дело в том, что при зажигании заряда Рабочей Смеси в цилиндре открытым пламенем через особую трубку при вспышке некоторая часть горящего заряда вылетала в атмосферу через эту трубку и это были заметные потери… Если бы такие потери удалось исключить, то КПД этого двигателя был бы заведомо выше.
Но Отто не обладал знаниями в области электротехники (как Ленуар), поэтому он и установил на свой атмосферный двигатель такую примитивную и уменьшающую КПД систему зажигания.

   ВЫВОДЫ из этой статьи таковы:
1) – устоявшееся мнение о возможности достижения предельно высокого КПД двигателя преимущественно за счет максимально возможной степени предварительного сжатия Рабочей Смеси справедливо только для конструкций поршневых двигателей , где стремительно движущийся от «донышка» цилиндра в сторону коленвала поршень (за счет принудительного привода от коленвала) с огромной скоростью расширяет объем «камеры сгорания» и уменьшает давление поджигаемого (и горящего- тоже) заряда Рабочей Смеси. В поршневом двигателе Ленуара, работающем без предварительного сжатия Рабочей Смеси, этот недостаток поршневых двигателей проявлялся особенно ярко. Что и приводило к его предельно низкому КПД.
   В современных поршневых двигателях всех типов для устранения именно этого конструктивного «родового» недостатка в организации рабочих процессов как раз и применяется предельно высокая степень предварительного сжатия – именно для того, чтобы заставить свежий заряд Рабочей Смеси гореть при достаточно высоких давлениях и температуре (не смотря на скоростное увеличение объема камеры сгорания и соответствующее падение давления в этой камере), что является залогом относительно полноценного горения заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высокого давления и высокой температуры.
2) – в истории техники существуют конструкции двигателей иных кинематических схем и иного способа организации рабочих процессов, где даже без предварительного сильного сжатия свежего заряда Рабочей Смеси можно достигнуть неплохих значений КПД даже при очень примитивной конструкции. Пример – атмосферный двигатель Отто образца 1864 года, с КПД в 15 %.
3) – можно создать высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания, в котором процессы сгорания свежего заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высоких параметров будут происходить путем естественного сжатия горящего заряда за счет самих сил горения в условиях камеры сгорания неизменного объема. Тем более, что процесс предварительного сжатия до высоких значений (в 20-30 атмосфер), который характерен для современных поршневых двигателей, требует затрат значительного количества энергии двигателя и применения массивных, громоздких и тяжелых деталей.
При этом основной вклад в достижение высокого КПД сделает большой параметр объема расширения (длинный рабочий ход), который будет значительно больше объема сжатия.

   ИМЕННО ТАКОЙ двигатель, не требующий затратного и громоздкого Предварительного Сжатия свежего заряда Рабочей Смеси высокого значения, автор данной статьи в настоящее время и создает. В этом двигателе предварительное сжатие будет осуществляться до невысоких значений, а основное сжатие заряда Рабочей Смеси в камере сгорания неизменного объема будет происходить за счет сил первого этапа самого горения. В идеале это будет детонационное горение: вспышка — взрыв. Далее Рабочее Тело высокого давления будет расширяться до конца своих возможностей в секторе расширения большого объема. 

Игорь Исаев.»Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее….»

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

Известно, что эффективность работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания находится в прямой зависимости от величины коэффициента полезного действия. КПД двигателя выражается в виде соотношения мощностей, передаваемых на коленвал и поршни. Современные ДВС отличаются наибольшей эффективность, в сравнении с устаревшими аналогами. Например, мотор объемом 1,6 л., раньше развивал мощность не более 70 лошадиных сил, а теперь этот параметр часто достигает 150 л. с.

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

• КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
• дизельного – 40 %;
• с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
2. Расходе тепла.
3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.

КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.

Интересно: Существуют некоторые методы повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания:

1. Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
2. Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
3. Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

• замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
• в то время, как дизельные – 40% соответственно;
• при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

1. Более высокий показатель степени сжатия.
2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
3. Корпусные детали нагреваются меньше.
4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

Повысить КПД дизельного двигателя | Автокомпоненты. Бизнес. Технологии. Сервис

Одним из способов повысить КПД двигателя и снизить уровень вредных выбросов является более точное управление системой впрыска топлива. Дизельные форсунки могут распылять топливо до 10 раз в каждом рабочем цикле двигателя, поэтому прецизионное управление каждым отдельным моментом впрыска позволяет еще больше повысить топливную экономичность, снизить уровень вредных выбросов и уменьшить уровень шума в течение всего срока службы двигателя. 

Инженеры Delphi разработали передовую технологию управления насос-форсункой с обратной связью, реализуемую посредством аппаратного и программного обеспечения. С ее помощью поддерживается максимальная эффективность впрыска в течение продолжительного времени. Это достигается за счет использования дополнительного электрического провода внутри корпуса насос-форсунки, игла которой действует в качестве «электрического выключателя». Данный процесс обеспечивает передачу сигнала управления в реальном времени, что является более точным и более экономически выгодным решением, чем те, что реализованы в аналогичных системах.

Посылая электрический ток по игле распылителя, система Delphi распознает моменты контакта иглы с седлом, ограничителем подъема или нахождения между этими двумя положениями. Этот процесс позволяет системе непрерывно перекалибровывать все моменты подачи топлива на протяжении всего срока службы автомобиля. 

Сочетание электрического выключателя и нового алгоритма управления создает уникальное решение, которое обеспечивает высокую точность многофазного впрыска. В отличие от других решений такая конструкция работает независимо от настроек параметров впрыска и сгорания топлива, а также сложности конструкции двигателя или силовой установки. 

Использование в конструкции форсунки «выключателя» и нового алгоритма работы электронного блока управления позволило инженерам Delphi добиться снижения уровня вредных выбросов и предложить эффективное решение для сложных технических задач.

Интервью с Дмитрием Европиным

Высказался в рамках следующего круглого стола:

Эволюция ДВС

«Вопрос об эффективности усовершенствования старых технологий остается открытым».

12 марта 2012

Дмитрий Европин

главный редактор MotorPage.ru

В основе всего многообразия сложных механизмов, которыми мы пользуемся сегодня, лежат достижения технической революции конца XIX – начала XX веков. На протяжении всего прошлого столетия изобретения этого периода лишь оттачивались. Совершенствовались технологические процессы, уменьшались допуски, происходила автоматизация, внедрялись второстепенные инновации, направленные на улучшение характеристик той или иной продукции. Это касается и автомобильной промышленности, в особенности в части двигателестроения.

Дело в том, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, ставший чуть менее ста лет назад основой автоиндустрии, имеет целый ряд недостатков, не позволяющих получать высокие показатели его общего КПД.

Так считается, что КПД классического автомобильного бензинового двигателя с принудительным искровым зажиганием составляет от 20 до 30%, дизельный двигатель может обеспечить 35-40%. В первой половине XX века это были выдающиеся характеристики на фоне пресловутого «КПД паровоза», который, как все мы помним из школьного курса физики, составлял 5-10%.

Впрочем, уже тогда инженерам было понятно, что необходимо добиваться лучших показателей, и уже в 1920 – 1940 годы для этого были разработаны практически все основные принципы, как то турбонаддув, прямой впрыск и т.д. К 1970 годам началась настоящая погоня за повышением эффективности, продолжающаяся по сей день. Были разработаны такие элементы как охлаждение рабочей смеси, изменение фаз газораспределения, поэтапный впрыск… Сегодня некоторые автопроизводители утверждают, что в современном бензиновом ДВС удается добиться общего КПД в 35-38%. Однако вопрос об эффективности усовершенствования старых технологий остается открытым.

Вся история ДВС – сплошная борьба инженеров с основополагающими особенностями конструкции. Если перечислять их вкратце, то это низкая топливная эффективность за счет слишком короткого цикла сгорания, 25-30% топлива в прямом смысле вылетает в трубу. Низкая механическая эффективность – большие потери на перемещение тяжелых деталей шатунно-поршневой группы, на трение, а так же на работу значительного количества навесного оборудования. Не следует забывать и о том, что в автомобиле ДВС, обладающий очень низким крутящим моментом на малых оборотах, нуждается в коробке передач, а это агрегат, в котором тоже теряется часть полученной энергии. Низкая термодинамическая эффективность – большая часть выделяемого тепла не переводится в полезную работу, ведь на это отведено лишь 0,25 всего цикла. Желающим более подробно ознакомиться с проблемой повышения КПД двигателя внутреннего сгорания могу порекомендовать следующую статью Игоря Исаева, разработчика одной из альтернативных конструкций двигателя.

Как правило, усилия конструкторов приводят к достижению выдающихся результатов в области распределения крутящего момента, повышения мощности и «эластичности» двигателя, снижения вибронагруженности…, но собственно КПД увеличивается не столь существенно, а значит затраты топлива на единицу полученной работы остаются относительно высокими.

Часто приходится сталкиваться с несоответствием реального и декларируемого производителем расхода бензина чуть ли не вдвое. Автомобиль с современными системами турбонаддува оказывается экономичным, только если очень бережно относится к педали газа и лишний раз ее не беспокоить.

Бывает и так, что новая модель автомобиля с двигателем, развивающим 150 л.с., ведет себя словно под капотом на пару десятков «лошадей» меньше, хотя в предыдущем поколении этой же модели ничего подобного не наблюдалось. Объясняется это, как правило, всего лишь новыми экологическими стандартами, ради достижения которых двигатель «душат» перенастройкой блока управления двигателем под использование в основном диапазоне оборотов обедненной смеси, а так же более эффективным каталитическим дожигателем.

Словом, складывается впечатление, что эволюция ДВС достигла своего пика, и в будущем нас ждет лишь увядание этой технологии. В последние годы это ощущение подкрепляется бурным развитием таких направлений, как гибриды и электромобили.

И все же уверенности в скором завершении эпохи ДВС у меня нет!

Не секрет, что параллельно с развитием двигателей Отто и Дизеля были попытки внедрения альтернативных конструкций – Аткинсона, Миллера, Стирлинга, Ванкеля. Есть и более экзотические, в том числе и отечественные, например двигатели Баландина и Фролова. Однако большого распространения они не получили. Пожалуй, только «роторы» Ванкеля применялись на немногочисленных моделях автомобилей вплоть до наших дней, но сейчас и они ушли в прошлое.

Победа силовым агрегатам Отто и Дизеля досталась по причине простоты конструкции, а значит и большей экономической эффективности в производстве. Но сейчас, когда стало возможным добиться гораздо большей механической точности, востребованными оказываются и некоторые, казалось бы, давно забытые идеи. Так для многих современных «гибридов» наиболее удачным оказался двигатель Аткинсона, изобретенный еще в конце XIX века. Его использует корпорация Toyota.

Предпринимаются и попытки внедрения принципиальных инноваций. Например, ученые из Университета Висконсин-Мэдисон в США разработали технологию, позволяющую одновременно использовать преимущества обоих видов топлива, бензина и дизеля, для двигателей внутреннего сгорания. Они предложили осуществлять впрыск дизельного топлива и бензина в цилиндр последовательно в ходе каждого цикла. Это необходимо для самовоспламенения топливной смеси, — вместо свечей зажигания работают капельки солярки, воспламеняющиеся под давлением. Пока эта технология не внедрена в производство, но вполне вероятно у нее есть перспективы.

В России компания «Ё-авто» занимается разработкой роторно-лопастного двигателя, в котором к минимуму сведены потери на трение. Разработчики этой конструкции уже заявляли, что КПД нового двигателя должен составить 42-45%, что весьма неплохо для бензинового агрегата.

Некоторые производители идут по пути дальнейшего увеличения степени сжатия, вплоть до почти «дизельных» значений, для достижения более полного сгорания бензиновой смеси. Не так давно компания Mazda начала производство бензиновых двигателей Skyaktiv-G, в которых степень сжатия составляет 14:1.

Если учесть, что двигатель внутреннего сгорания – это еще и обеспечение постоянного спроса на нефтепродукты, вряд ли в ближайшем будущем мир сможет отказаться от столь «ценной» технологии. Автопроизводители просто обречены заниматься ее дальнейшим совершенствованием. Впрочем, направления этой работы могут быть различны. Надеюсь, в рамках очередной дискуссии на нашем портале представители ведущих автомобильных марок расскажут о своих наиболее перспективных разработках в области повышения эффективности ДВС.

Автор

Дмитрий Европин, главный редактор журнала «MotorPage»

Также высказались:

Обзоров машин на сайте:

4 9 1 6

Постоянно повышающаяся эффективность дизельного двигателя

Рудольф Дизель в 1880-х сказал: «Автомобильный двигатель придет, и тогда я буду считать дело своей жизни завершенным». Он ясно знал, насколько важным было его изобретение. Но какое бы суждение ни было о делах всей жизни Дизеля, сам дизель был далек от завершения. Во-первых, его первые двигатели были эффективны только на 26%. Но это было очень-очень давно.

Потенциальный КПД дизельного двигателя стал горячей темой в 2015 году, более века спустя.Это связано с тем, что Агентство по охране окружающей среды США и НАБДД оценивают потенциальную строгость новых нормативов эффективности для дизельных двигателей в рамках предложения «Фаза 2» для тяжелых транспортных средств. Федеральные агентства имеют право регулировать двигатели тяжелых транспортных средств для достижения максимально возможных улучшений и принимать технологические стандарты, уделяя должное внимание стоимости соблюдения требований, срокам разработки технологий и другим соображениям.

Современные дизельные двигатели с воспламенением от сжатия доминируют в сфере коммерческих грузовых перевозок с эффективными двигателями, которые преобразуют около 43–44% энергии топлива в работу двигателя, исходя из двигателей, сертифицированных на 2013–2014 годы.Чтобы соответствовать существующим нормам эффективности и выбросов углерода, тракторные двигатели, вероятно, сократят потребление топлива и выбросы CO2 на 6% с 2010 по 2017 год, или примерно на 1% в год. Сейчас вопрос заключается в том, насколько более эффективные дизельные двигатели получат на следующем этапе регулирования, с 2017 по 2024–2027 годы.

В июньском предложении EPA / NHTSA дизельные двигатели сократят расход топлива и выбросы CO2 на единицу работы на 4,2% с 2017 по 2027 год. Окончательные стандарты, вероятно, будут действовать еще три года, поэтому стандарты будут применяться до 2029 года. или 2030 г.Это означало бы, что выбросы CO2 двигателями будут сокращаться в среднем на 0,3–0,4% в год до 2030 года. Как это соотносится с другими цифрами?

Невозможно не задаться вопросом, что бы подумал Рудольф Дизель, узнав, что последние дизельные инновации могут удвоить эффективность его первых дизельных разработок?

На приведенном ниже рисунке показаны существующие стандарты на 2014–2018 годы, предлагаемые стандарты на 2017–2027 годы и технологический потенциал от расширенного внедрения технологий на основе вышеупомянутого исследования WVU в граммах CO2 на тормозную мощность в час.Технологический потенциал на рисунке предполагает, что тракторные двигатели могут достичь улучшения до 7% за счет технологии повышения эффективности с внедрением пакета двигателей «2020+» исследований WVU (то есть за счет улучшений за счет снижения трения, паразитных воздействий, турбонаддува, последующей обработки и т. Д. оптимизация горения и расширенные средства управления). Этот потенциал от этих дополнительных технологий примерно вдвое больше, чем агентства включили в предложенное правило на 2027 год.

Кроме того, мы рассматриваем рост проникновения передовых технологий в двигатели в анализе на рисунке.С более широким распространением инкрементных технологий 2020+ и 15% проникновением системы рекуперации отработанного тепла (WHR) органического цикла Ренкина (как предполагают агентства), снижение выбросов CO2 в парке до 10% к 2027 году станет возможным. С более широким проникновением технологий WHR и US DOE SuperTruck технологический потенциал еще выше. Результаты показывают, что существенно более низкие выбросы CO2, чем предложенные стандартные уровни EPA-NHTSA, технически достижимы в период до 2025 года. Максимальный технологический потенциал всего парка мог бы разумно соответствовать эффективности демонстраций SuperTruck Министерства энергетики США в 2014–2016 годах в период до 2030 года.

США Фаза 1 (2014–2017 гг.) И предлагаемые нормативные стандарты Этапа 2 (2018–2030 гг.), Технологический потенциал, технологический потенциал с увеличенной рекуперацией отходящего тепла (WHR) и демонстрации SuperTruck Министерства энергетики США.

Ожидаемое решение США по стандартам двигателей может стать единственной реальной мерой по значительному повышению эффективности дизельных двигателей в течение следующих 10–15 лет. По этой причине можно привести веские доводы в пользу того, что они должны продвигать технологический пакет настолько сильно, насколько это возможно, на основе новых технологий повышения эффективности.И это решение имеет более широкие последствия для глобальных инноваций, поскольку одни и те же компании продают одни и те же двигатели повсюду. Индия также рассматривает стандарты эффективности двигателей для своих двигателей большой мощности. Те же высокоэффективные двигатели могут использоваться для дизельных грузовиков в Китае, Европе, Мексике и других странах, если в этих регионах будут действовать аналогичные, все более строгие правила.

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель внутреннего сгорания отличается от бензинового цикла Отто тем, что для воспламенения топлива используется более высокая степень сжатия топлива, чем свеча зажигания («воспламенение от сжатия», а не «искровое зажигание»).

Стандартный цикл дизельного двигателя

В дизельном двигателе воздух сжимается адиабатически со степенью сжатия обычно от 15 до 20. Это сжатие повышает температуру до температуры воспламенения топливной смеси, которая образуется при впрыске топлива при сжатии воздуха. Идеальный стандартный цикл по воздуху моделируется как обратимое адиабатическое сжатие, за которым следует процесс сгорания при постоянном давлении, затем адиабатическое расширение как рабочий ход и изоволюметрический выхлоп.Новый заряд воздуха всасывается в конце выхлопа, как показано процессами a-e-a на диаграмме.

Поскольку такты сжатия и мощности этого идеализированного цикла являются адиабатическими, эффективность может быть рассчитана на основе процессов постоянного давления и постоянного объема. Энергия на входе и выходе, а также КПД могут быть рассчитаны исходя из температуры и удельной теплоемкости:

Эту эффективность удобно выразить через степень сжатия r _C = V ₁ / V ₂ и степень расширения r _E = V ₁ / V ₃ .КПД можно записать

, и его можно преобразовать в форму

Для стандартного воздушного двигателя с γ = 1,4, степенью сжатия r _C = 15 и степенью расширения r _E = 5, это дает идеальный КПД дизеля 56%.

Дизельный цикл зависит от того, является ли эта температура достаточно высокой для воспламенения топлива при его впрыске.

* фунт / кв. Дюйм — манометрическое давление в фунтах на квадратный дюйм.Обычные манометры в США измеряют превышение в фунтах на квадратный дюйм атмосферного давления.

Все, что вам нужно знать

Поскольку все больше и больше иностранных производителей автомобилей предлагают дизельные модели в Соединенных Штатах, многие потребители задаются вопросом, является ли дизель или бензин лучшим выбором для их следующих автомобилей. По данным Bell Performance, Subaru, Audi и Volkswagen в настоящее время продают автомобили с дизельными двигателями в Соединенных Штатах.Эти двигатели предлагают более высокий КПД по сравнению с газовыми двигателями без использования электричества.

Хотя газовые автомобили более популярны в США, чем дизельные, дизельные двигатели занимают почти половину доли рынка в Европе. Digital Trends отмечает, что, хотя многие потребители в США считают дизельное топливо грязным топливом, технологические достижения сделали его экологически чистым и экологически чистым вариантом для водителей, которым нужен мощный двигатель без ограничения эффективности. Однако покупателям автомобилей может быть сложно понять разницу между этими двумя вариантами.

Как работают двигатели

Согласно цифровым тенденциям и принципам работы как бензиновые, так и дизельные двигатели используют внутреннее сгорание. В двигателях этого типа воздух поступает в двигатель и соединяется с топливом. Цилиндры двигателя сжимают образовавшуюся смесь, которая воспламеняется, вызывая движение поршня и коленчатого вала. Последний компонент активирует трансмиссию транспортного средства для поворота колес автомобиля. Затем поршень возвращается в исходное положение, чтобы удалить отработанный газ из двигателя через выхлопную трубу в качестве выхлопа.Этот процесс происходит несколько раз каждую секунду.

Однако процесс зажигания различается для бензиновых и дизельных двигателей. В процессе сжатия свеча зажигания воспламеняет топливо в газовом двигателе. Дизельные двигатели не имеют свечей зажигания, а просто используют экстремальное сжатие для выработки тепла, необходимого для самовоспламенения, также известного как воспламенение от сжатия. Когда это явление происходит в газовом двигателе, это приводит к его повреждению.

Эти источники, наряду с Road и Track, отмечают, что двигатели с большим количеством цилиндров обеспечивают большую мощность и более плавную работу, чем двигатели с меньшим количеством цилиндров.Однако эти более мощные двигатели также менее эффективны и их сложнее исправить.

Выбор правильного типа двигателя

Согласно данным Bell Performance и Road and Track, клиенты, которые проезжают много миль по шоссе, часто предпочитают дизельные двигатели, поскольку они более эффективны на этих дорогах, чем бензиновые. Дизельное топливо просто содержит больше энергии в каждом галлоне, чем газовое топливо, что в целом делает его более экономичным. Дизельные двигатели по-прежнему более эффективны, чем газовые, но в меньшей степени для тех, кто в основном ездит по городу.Дизельные автомобили также имеют больший крутящий момент, что приводит к лучшей экономии топлива и более впечатляющему ускорению.

Важно помнить, что некоторые виды дизельного топлива могут отрицательно сказаться на характеристиках автомобиля. К ним относятся черный дизель, биодизель и другие улучшенные дизельные продукты.

Для большинства потребителей в США дизельное топливо и газовое топливо стоят примерно одинаково. Иногда цена на дизельное топливо выше цены на бензин, а иногда ниже цены на газ. Однако, даже если вы потратите больше на дизельное топливо, вы все равно получите большую экономию от дизельного двигателя в течение всего срока службы автомобиля.Это потому, что вам понадобится 8-литровый бензиновый двигатель для достижения той же мощности, что и для 6-литрового дизельного двигателя.

Digital Trends сообщает, что дизельные двигатели, как правило, более долговечны и служат дольше, чем газовые, при надежной работе и минимальном техническом обслуживании. Хотя когда-то дизельные автомобили весили намного больше, чем газовые автомобили сопоставимых размеров, теперь это больше не проблема, благодаря современным методам производства.

Дизельные двигатели также содержат меньше компонентов, чем газовые двигатели, а это означает, что в вашем автомобиле меньше деталей, которые могут выйти из строя.Для большинства дизельных двигателей требуется меньше услуг по ремонту и техническому обслуживанию, чем для газовых двигателей, что дает общую экономию средств.

В то время как ранние дизельные двигатели имели заслуженную репутацию шумных двигателей, эта жалоба в основном решалась с помощью новых технологий. Были устранены такие проблемы, как шумовое загрязнение и темный дым, поэтому вы можете снова включить дизельное топливо в свой список возможностей, если в предыдущие десятилетия вас беспокоили эти проблемы. Сегодня опыт вождения автомобиля с дизельным двигателем практически идентичен опыту вождения автомобиля с бензиновым двигателем.

Расчет экономии затрат на дизельное топливо

По данным The Motley Fool, в исследовании, которое они провели для сравнения топливной экономичности дизельных и газовых двигателей, дизельные двигатели были на 29 процентов эффективнее на шоссе и на 24 процента эффективнее в городе. Однако, поскольку это исследование представляет собой небольшую выборку, вы можете рассчитать преимущество дизельного топлива для ваших конкретных потребностей вождения.

Необходимая вам формула:

миль / (MPG в городе * процент миль, которые вы проезжаете по городу + MPG на шоссе * процент миль, которые вы проезжаете по шоссе) * $ за галлон = годовая стоимость бензина

Когда вы сами подсчитаете, и вы, вероятно, увидите, что, хотя дизельное топливо стоит меньше за милю, которую вы проезжаете, чем бензин, требуется много лет, чтобы окупиться, даже если вы посмотрите на стоимость дизельного автомобиля по сравнению со стоимостью автомобиля с газовым двигателем .Однако, если вы ежегодно проезжаете много миль по шоссе и планируете использовать свой дизельный автомобиль в течение длительного времени, вы можете обнаружить, что имеет смысл заплатить аванс за более эффективный двигатель, особенно если учесть ваши ежегодные расходы на топливо.

Кроме того, помните, что если вы измените процентное соотношение городских миль и миль шоссе, которое вы проезжаете, или если вы проезжаете намного больше или меньше миль в год, чем вы ожидали, ваша точка безубыточности для дизельного автомобиля изменится. Водители, которые в среднем проезжают менее 10 000 миль в год, не смогут ограничить свои расходы на топливо, достаточные для того, чтобы дизельный двигатель имел финансовую выгоду, если только они редко ездят по городу или в настоящее время не водят автомобиль, для которого требуется бензин премиум-класса.

Доступные модели с дизельным двигателем для США

Согласно Digital Trends, некоторые из легковых и грузовых автомобилей США, которые в настоящее время предлагают вариант с дизельным двигателем, включают следующее:

• Chevrolet Colorado
• Chevrolet Silverado
• Ford F-150
• Ram 1500
• Jeep Wrangler
• Jeep Gladiator
• Chevrolet Tahoe
• Chevrolet Suburban
• Land Rover Range Rover TD6
• Mazda CX-5

Источники:

https: // www.bellperformance.com/blog/diesel-vs.-gasoline-which-engine-is-a-better-fit-for-you

https://www.roadandtrack.com/car-culture/a10350174/gasoline-vs- дизель-что-то-разница /

https://www.digitaltrends.com/cars/diesel-vs-gasoline-engines/

https://auto.howstuffworks.com/diesel1.htm

https: / /www.fool.com/investing/general/2015/06/04/diesel-vs-gas-which-is-the-better-fuel-and-vehicle.aspx

https://www.caranddriver.com/ features / a23492388 / clean-diesel-cars-wont-sell /

https: // www.caranddriver.com/features/g20980996/diesel-car-truck-suv/

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Насколько эффективны двигатели: термодинамика и эффективность сгорания

Насколько эффективны двигатели? Двигатели внутреннего сгорания невероятно неэффективны.Большинство дизельных двигателей не имеют теплового КПД даже 50%. Из каждого галлона дизельного топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания, менее половины вырабатываемой энергии становится механической энергией. Другими словами, из энергии, производимой дизельным двигателем в пикапе, например, менее половины произведенной энергии фактически толкает пикап по дороге.

А автомобили с бензиновым двигателем еще более неэффективны, значительно менее эффективны.

Хотя это может звучать так, как будто транспортное средство, которое только 50% тепловой энергии, производимой при сгорании, в механическую энергию, чрезвычайно неэффективно, многие транспортные средства на дороге фактически тратят около 80% энергии, производимой при сгорании топлива.Бензиновые двигатели часто выбрасывают более 80% производимой энергии из выхлопной трубы или теряют эту энергию в окружающую среду вокруг двигателя.

Причины такой неэффективности двигателей внутреннего сгорания являются следствием законов термодинамики. Термодинамика определяет тепловой КПД — или неэффективность — двигателя внутреннего сгорания.

«Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). По словам X-Engineer, этот термодинамический процесс выделяет тепло, которое частично преобразуется в механическую энергию.орг. Но большая часть производимой энергии теряется. Большая часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, тратится впустую.

Хотя даже краткое объяснение того, почему двигатели внутреннего сгорания обязательно требуют довольно длинного объяснения термодинамики, объяснение длины подачи Twitter легко понять: разница в температуре между сгоранием топлива, двигателем и воздухом вне двигателя определяет тепловой КПД — т.е. неэффективность двигателя внутреннего сгорания.

Что такое термический КПД и каковы законы термодинамики

КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД.Термический КПД является следствием термодинамики. Существует как определение, так и формула теплового КПД. Согласно LearnThermo.com, «Тепловая эффективность — это мера производительности энергетического цикла или теплового двигателя».

Строгое определение термического КПД, согласно Словарю Мерриама-Вебстера, — это «отношение тепла, используемого тепловым двигателем, к общему количеству единиц тепла в потребляемом топливе». Более практичное определение термического КПД непрофессионала — это влияние количества энергии, производимой при сжигании топлива двигателем внутреннего сгорания, по отношению к количеству этой энергии, которая становится механической энергией.

Формула теплового КПД, однако, может дать самое простое объяснение. Тепловая энергия — это количество потерянного тепла, деленное на количество тепла, подаваемого в систему, причем тепло является синонимом энергии. Результатом деления потерь на входные данные является коэффициент теплового КПД этой системы. Коэффициент теплового КПД — это количество энергии, которое затрачивается на приведение в действие коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания — по крайней мере, двигателей с поршнями.

Есть два закона термодинамики, которые определяют тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания.

Первый закон термодинамики

Тепловой КПД — следовательно, КПД двигателя внутреннего сгорания — определяется законами термодинамики. Согласно первому закону термодинамики, выходная энергия не может превышать вложенную энергию. Другими словами, энергия, производимая двигателем — будь то потеря энергии или энергия, используемая для передвижения, — никогда не будет больше, чем энергетический потенциал топлива, подаваемого в камеру сгорания.

Первый закон термодинамики интуитивно понятен.Первый закон термодинамики является неотъемлемой частью закона сохранения энергии. Энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Первый закон термодинамики — это просто еще одна формула, доказывающая, что энергия не может быть создана. Используя деньги как метафору первого закона термодинамики, вы не можете получить больше четырех четвертей из доллара.

В то время как первый закон имеет отношение к эффективности двигателя внутреннего сгорания, именно второй закон термодинамики объясняет, почему двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны.

Второй закон термодинамики

Согласно второму закону термодинамики, 100% тепловой КПД достичь невозможно.

Существует предел потенциальной эффективности двигателя внутреннего сгорания. Второй закон термодинамики, называемый теоремой Карно, гласит: «Даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать в работу около 100% подводимого тепла. Ограничивающими факторами являются температура, при которой тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которую двигатель отводит отработанное тепло.”

Чрезвычайно большой процент энергии, производимой при сгорании топлива, теряется. Потеря энергии — причина того, что двигатель нагревается. Нагрев двигателя происходит за счет теплопроводности. Потеря энергии в виде тепла является причиной нагрева воздуха вокруг двигателя за счет конвективной теплопередачи. Вместо того, чтобы производить механическую энергию, нагреватель нагревает двигатель и атмосферу вокруг двигателя. В результате конвекции и теплопроводности энергия теряется в воздухе вокруг двигателя и в двигателе, потому что и двигатель, и воздух вокруг двигателя имеют более низкую температуру, чем температура сгорания топлива.

Кроме того, огромная часть энергии, производимой двигателем внутреннего сгорания, просто выдувает выхлоп, опять же, никогда не превращаясь в механическую энергию.

Тепло — энергия — потери и теорема Карно

Чем больше разница температур между температурой сгорания топлива и температурой окружающей среды, тем ниже тепловой КПД двигателя. Другими словами, чем больше разница между температурой горящего топлива и металла и воздуха вокруг него, тем больше потери энергии.Чем больше разница температур, тем больше неэффективность двигателя — это факт, доказанный теоремой Карно.

Предел Карно — это количество энергии, производимой во время сгорания, которая становится механической энергией. Этот предел определяется разницей в теплоте сгорания и температуре элементов и атмосферы вокруг процесса сгорания. Чем больше разница между температурой горящего топлива и температурой окружающей среды вокруг процесса горения, тем ниже Предел Карно .

Каков тепловой КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным двигателем?

Тепловой КПД бензинового двигателя чрезвычайно низок. Несмотря на то, что есть компании, стремящиеся улучшить термический КПД бензиновых двигателей, даже сопоставить КПД сгорания старых дизельных двигателей чрезвычайно сложно. По словам Toyota, компании, пытающейся повысить термический КПД своих автомобилей, «большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сожженного топлива в полезную энергию.Эффективность, с которой они это делают, измеряется с точки зрения «теплового КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД.

Дизель обычно имеет более высокий тепловой КПД, в некоторых случаях тепловой КПД приближается к 40 процентам. Toyota находится в процессе разработки нового бензинового двигателя, максимальный тепловой КПД которого, по утверждению компании, составляет 38 процентов, тепловой КПД «выше, чем у любого другого массового двигателя внутреннего сгорания».”

Другой взгляд на термический КПД связан с расходами на топливо. На каждый доллар бензина, покупаемый человеком, почти 80 центов теряется в виде отходов. Только 20 центов из каждого доллара фактически заставляют бензиновый двигатель двигаться дальше. Хотя все еще шокирующе низко, даже обычные дизельные двигатели тратят не менее 40 центов за доллар на механическое использование.

Хотя 60 центов на каждый доллар дизельного топлива теряются из-за тепловой неэффективности, это все равно вдвое лучше, чем у среднего бензинового двигателя.

Почему тепловой КПД дизельного двигателя выше, чем у бензинового двигателя

В то время как Toyota утверждает, что тепловой КПД бензиновых двигателей составляет 20%, а дизельных двигателей — 40%, MDPI из Базеля, Швейцария считает, что эти цифры на самом деле выше. Согласно MDPI, бензиновые двигатели имеют тепловой КПД от 30% до 36%, в то время как дизельные двигатели могут достигать теплового КПД почти 50%. «Современные производимые двигатели с искровым зажиганием работают с тепловым КПД тормозов (BTE) около 30–36% [12], двигатели с воспламенением от сжатия уже давно признаны одним из самых эффективных силовых агрегатов, нынешние BTE дизельных двигателей могут достичь до 40–47%.

Тем не менее, это означает, что тепловой КПД дизельного двигателя примерно на 25% выше, чем у бензинового двигателя. Согласно Popular Mechanics, причина, по которой дизельные двигатели имеют более высокий тепловой КПД, чем бензиновые, заключается в двух факторах: степени сжатия и сжигании обедненной смеси. «Когда дело доходит до преодоления больших расстояний на скоростях шоссе, дизельные двигатели с более высокой степенью сжатия и сгоранием на обедненной смеси обеспечивают эффективность, с которой в настоящее время не может сравниться ни один газовый двигатель — по крайней мере, без серьезной помощи со стороны дорогой гибридной системы.”

Тепловой КПД и степень сгорания

В двигателе внутреннего сгорания тепловой КПД частично определяется степенью сжатия. Степень сжатия — это разница между наибольшим объемом в камере сгорания — когда поршень опущен — и объемом в камере сгорания, когда он приближается к точке, где топливо, впрыскиваемое в камеру, взрывается. Степень сжатия бензинового двигателя намного ниже, чем у дизельного двигателя.

Степень сгорания типичного бензинового двигателя составляет от 8: 1 до 12: 1. «Если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если только октановое число топлива не является высоким, происходит детонационное сгорание». Детонация является результатом предварительного сгорания, когда бензин воспламеняется из-за давления сжатия, в отличие от сжатия в результате воздействия искры.

Дизельные двигатели имеют гораздо более высокую степень сжатия. На то есть две причины. Во-первых, дизельные двигатели — это двигатели сжатия.Сжатие — это то, что заставляет дизельное топливо в камере сгорания взорваться. В двигателе с компрессионным двигателем нет искры, которая воспламеняет дизельное топливо. Кроме того, у дизельных двигателей более высокая степень сжатия, поскольку дизельное топливо является более стабильным топливом. Для зажигания дизельного топлива необходимо большее давление — более высокая степень сжатия. Степень сжатия большинства дизельных двигателей составляет от 14: 1 до 25: 1.

Решения для повышения эффективности двигателя

Владелец транспортного средства мало что может сделать для повышения теплового КПД двигателя.Конструктивные и технологические ограничения не позволяют владельцам вносить существенные улучшения в транспортное средство с точки зрения теплового КПД. Тем не менее, — можно улучшить в отношении эффективности сгорания.

Эффективность сгорания — это скорость, с которой двигатель преобразует топливо в энергию. В частности, для тяжелого топлива с высокой плотностью энергии — дизельного топлива, мазута, бункерного топлива и т. Д. — существуют доступные технологии, позволяющие значительно повысить эффективность сгорания.Из-за природы топлива с высокой плотностью энергии, а именно из-за того, что топливо с высокой плотностью энергии состоит из больших и длинных молекул углеводорода, тяжелое топливо может иметь низкую эффективность сгорания.

Топливо с низкой плотностью энергии, такое как бензин и природный газ, обычно имеет постоянную скорость сгорания по сравнению с более тяжелым топливом, поскольку оно состоит из более мелких короткоцепочечных углеводородных молекул. Но более крупные и длинные углеводородные молекулы и цепочки молекул в тяжелом топливе имеют тенденцию объединяться в кластеры, что означает, что молекулы внутри кластера не подвергаются воздействию воздуха.Без воздуха углеводороды не загорятся.

Топливные катализаторы — одно из самых простых средств повышения эффективности сгорания тяжелого топлива. Благородные металлы — также известные как катализаторы — в благородных металлах разрушают топливные кластеры, деполяризуя присущие им заряды, которые заставляют углеводороды объединяться в кластеры.

Топливный катализатор Rentar, например, может повысить эффективность сгорания — и, следовательно, топливную эффективность — от 3% до 8% в внедорожных транспортных средствах. На тяжелой технике повышение эффективности использования топлива еще более резкое.При добавлении топливного катализатора Rentar в топку или котел, работающие на тяжелом топливе, увеличение может составить 30% или более.

Несмотря на то, что трудно предотвратить потери энергии, присущие всем двигателям внутреннего сгорания, все же можно повысить эффективность использования топлива. Пока мы не сможем производить двигатели с более высоким тепловым КПД, лучшее, что мы можем сделать, — это повысить КПД сгорания.

Wärtsilä 31 самый эффективный двигатель в мире

Добро пожаловать в новое поколение двигателей.Wärtsilä 31 устанавливает новый стандарт энергоэффективности, обеспечивая самый низкий уровень расхода топлива среди всех четырехтактных двигателей в мире. Он также предлагает беспрецедентный уровень эксплуатационных гибкость и может быть легко адаптирована для работы с различными типами топлива и рабочими профилями. В течение всего срока службы двигателя Wärtsilä 31 вы получите лучшую поддержку по запасным частям, сервисному обслуживанию, техническим вопросам, переоборудованию и Соглашения об обслуживании. Wärtsilä 31 — это просто самый экономичный, удобный и универсальный двигатель из когда-либо разработанных.

Wärtsilä 31 — это не один двигатель, а платформа, состоящая из трех различных продуктов — дизельного двигателя, газового двигателя и двухтопливного двигателя. Двигатели могут работать на широком спектре доступных видов топлива, таких как тяжелое жидкое топливо (HFO), судовое дизельное топливо (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (СПГ), этановый газ (LEG) или нефть. газ (LPG).

Ульф Остранд, директор Wärtsilä по программам разработки продуктов, курировал внедрение всех новых технологий, содержащихся в новом двигателе.Он объясняет, что это первая разработка платформы двигателя. одновременно для всех вариантов его топлива.

«Предыдущие двигатели изначально разрабатывались для работы на дизельном топливе, а затем были адаптированы для работы на газе», — говорит он. «Это сделало невозможным когда-либо полностью оптимизировать их характеристики и топливную экономичность для газового или двухтопливного режимов».

«Это совершенно новый движок, который мы разработали с нуля», — добавляет Джулио Тирелли, директор по портфелю движков и приложениям.«Это результат почти десяти лет разработки и содержит самые передовые технологии, открывающие двери для дальнейшего развития ».

Топливная эффективность

Новый Wärtsilä 31 — самый экономичный четырехтактный двигатель, доступный в настоящее время на рынке. Дизельная версия двигателя потребляет в среднем на 8–10 г / кВт · ч меньше топлива по сравнению с ближайшим конкурентом по всему миру. диапазон нагрузки. В оптимальной точке это число может снизиться до 165 г / кВтч.В пересчете на эксплуатационные расходы ежедневная экономия на поставке эталонного буксира для обработки якорей (AHTS) составила бы около 10 000 евро в день в виде расходов на топливо.

«Повышение топливной эффективности такого масштаба никогда не достигалось за один шаг», — говорит Остранд. «И мы сделали это за один присест».

«Сегодня топливная экономичность — это высший показатель технологического прогресса», — соглашается Тирелли. «И повышение производительности на 10 г / кВт · ч при запуске одного продукта — это значительное улучшение.Этот двигатель достиг уровня эффективности это, всего несколько лет назад, считалось физически невозможным ».


Внимание к экологическому развитию

Поскольку выбросы вызваны сжиганием топлива, вполне естественно, что двигатель, потребляющий значительно меньше топлива, также производит значительно меньше выбросов. Совершенно новый Wärtsilä 31 не только соответствует требованиям стандарта IMO Tier II по выбросам. стандарта, он также соответствует законодательству IMO Tier III, которое вступит в силу в 2016 году.Кроме того, двухтопливная концепция позволяет судам легко переключаться с дизельного топлива на газ в зависимости от того, где они работают.

«Будучи лидером на рынке по топливной эффективности, судно будет производить значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. В двухтопливной версии он может работать на дизельном топливе в зоне Tier II, а затем переключаться на газ при переходе в Tier III. область (например, зона контроля выбросов или ECA). Переключение происходит мгновенно — нет необходимости ждать переключения — судно может просто продолжать движение с той же скоростью.”


Меньше обслуживания, больше времени безотказной работы

Что касается обслуживания, затраты, связанные с новым Wärtsilä 31, были снижены примерно на 20%. В то время как стандартные двигатели аналогичной мощности требуют первой остановки для технического обслуживания примерно через 1000 часов работы, первая остановка на новом двигателе проходит через 8000 моточасов.

«Поскольку мы знаем, насколько важно время безотказной работы для прибыльности наших клиентов, сокращение потребности в техническом обслуживании было одним из наших главных приоритетов для этого нового двигателя», — объясняет Остранд.«Мало того, что его компоненты имеют более длинный срок службы, мы также вложили много энергии в сокращение времени, необходимого для его обслуживания ».

Удаленный доступ к эксплуатационным данным обеспечивает расширенную поддержку и немедленное реагирование со стороны Wärtsilä для обеспечения безопасной эксплуатации судна или электростанции независимо от ее местонахождения. Преданный специалист со старшим техническим уровнем опыт дает советы экипажу по телефону и электронной почте. Это сокращает количество внеплановых посещений для технического обслуживания на борту.


Модульная конструкция

Модульная конструкция нового Wärtsilä 31 позволяет легко снимать и заменять целые модули двигателя. Это сокращает время обслуживания, поскольку модуль можно просто заменить, вместо того, чтобы разбирать каждую отдельную часть.

«Этот переход от отдельных запасных частей к« сменным узлам », означающий замену целых узлов или модулей, таких как силовые агрегаты, форсунки и топливные насосы высокого давления, способствует более эффективному обслуживанию. и увеличивает время безотказной работы », — говорит Остранд.

Когда двигатель требует технического обслуживания, время простоя будет значительно сокращено, поскольку весь модуль можно просто вынуть и заменить на заменяемый. Модули обмена перечислены в руководстве по запасным частям и доступны на складе.


Операционная гибкость

Операционная гибкость — главная проблема для морских приложений, поскольку многие суда работают при низкой нагрузке, но также требуют возможности быстрого набора мощности. Операторам необходимо убедиться, что они могут работать при низких нагрузках, обеспечивая при этом максимальную топливную эффективность. и рентабельность.Wärtsilä 31 можно легко адаптировать к различным рабочим профилям, с различными настройками, благодаря передовой системе автоматизации двигателя в сочетании с гибкостью впрыска топлива и впуска воздуха. системы. Дальнейшие улучшения для операций с низкой нагрузкой также могут быть достигнуты путем установки пакета с низкой эффективностью нагрузки, который включает некоторые механические изменения.

«Благодаря чрезвычайно высокому уровню автоматизации мы смогли оптимизировать несколько моментов, которые мы не смогли бы адаптировать в прошлом», — объясняет Тирелли.

«Многие механические системы невозможно настроить для различных рабочих профилей, но современные электронные и гидравлические системы легко адаптировать к рабочим потребностям клиента», — соглашается Остранд, добавляя, что если владелец хочет изменить способ эксплуатации существующего судна, его всегда можно перенастроить в соответствии с новыми требованиями.


Двигатель, ориентированный на будущее

Модульная конструкция не только способствует быстрому ремонту, но и поддерживает будущие обновления.По словам Ульфа Остранда, это делает двигатель «перспективным»:

«В будущем, когда мы разработаем новую технологию, судовладелец может просто установить модуль, содержащий обновление. Это будет особенно полезно при введении новых стандартов выбросов, но может также применяться к будущим видам топлива. Мы разработали продукт, который можно легко адаптировать к любым будущим возможностям. Я называю это двигателем, отвечающим требованиям завтрашнего дня ».


Три двигателя, одна общая платформа

Работа по разработке нового Wärtsilä 31 началась еще в 2010 году.Инженеры Wärtsilä намеревались создать платформу двигателя с высоким уровнем общности между тремя вариантами двигателей.

«Три двигателя почти идентичны», — говорит Джулио Тирелли. «Техник, обученный работе с одним, обнаружит, что с двумя другими очень легко работать, в то время как владельцы более чем одного типа двигателя сократят количество запасных частей. косяки, благодаря высокой унифицированности деталей. Кроме того, двигатель, который изначально был куплен, например, для работы на дизельном топливе, может быть легко адаптирован для использования в качестве газового или двухтопливного двигателя, если требования заказчика со временем изменятся. срока службы продукта.

«Благодаря модульной конструкции и использованию общих технологий в различных вариантах, двигатель может быть преобразован из одного варианта в другой с незначительными механическими изменениями», — добавляет Остранд. «Это делает его надежным выбором. на будущее, независимо от изменений в наличии топлива или возможных серьезных колебаний цен на топливо ».

Подробнее о Wärtsilä 31

Меньше энергии, затрат, времени простоя и выбросов. Больше гибкости и времени безотказной работы.

Энергоэффективность. Потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше, чем у ближайшего конкурента во всем диапазоне нагрузок, обеспечивая ежедневную экономию до 10 000 евро.

Топливная гибкость. Wärtsilä 31 может работать на широком спектре видов топлива: мазут (HFO), дизельное топливо для судов (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (LNG), этановый газ (LEG) или нефть. газ (LPG).

Экономическая эффективность . Затраты на техническое обслуживание снизились примерно на 20%.

Меньше обслуживания , больше времени безотказной работы. Первая остановка для технического обслуживания наступает через 8 000 часов по сравнению с 1 000 часов для стандартных двигателей аналогичной мощности. Наличие модулей обмена обеспечивает короткие простои для Обслуживание.

Операционная гибкость. Полностью работоспособен, везде. Двухтопливный двигатель позволяет легко переключаться на газ при въезде в зону Tier III без каких-либо изменений скорости. Wärtsilä 31 легко адаптируется для различных рабочие профили и любые будущие события.

Меньше выбросов. Значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. Полностью соответствует правилам IMO Tier III, вступающим в силу в 2016 году.

границ | Преимущества и недостатки дизельных одно- и двухтопливных двигателей

Введение

Обедненная смесь с воспламенением от сжатия (CI) и прямым впрыском (DI) является наиболее эффективным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) (Zhao, 2009; Mollenhauer and Tschöke, 2010). Он производит выбросы оксидов азота и твердых частиц (ТЧ) из двигателя, которые нуждаются в последующей обработке, чтобы соответствовать чрезвычайно низким пределам, установленным для транспортных средств (Lloyd and Cackette, 2001; Burtscher, 2005; Maricq, 2007), несмотря на то, что качество воздуха невысокое. не только под влиянием транспортных выбросов, но и из многих других источников.Одних только стратегий сжигания (Khair and Majewski, 2006) было недостаточно для достижения пороговых значений выбросов, и требовались специальные катализаторы сжигания обедненной смеси, особенно для NOx в дополнение к фильтрам твердых частиц в выхлопных газах. Несмотря на свой экономический успех, дизельные двигатели во всем мире сталкивались со все более строгими законами о выбросах (Knecht, 2008; Zhao, 2009) ценой постепенного отказа от технологии, нацеленной на нереалистичные минимальные дополнительные улучшения.

У дизеля есть как все плюсы, так и минусы.Он имеет эффективность преобразования топлива при полной и частичной нагрузке, превышающую эффективность стехиометрических ДВС с искровым зажиганием (SI), как с прямым впрыском, так и с впрыском топлива в порт (PFI). CIDI ICE имеют пиковый КПД около 50% и КПД выше 40% на большинстве скоростей и нагрузок. Напротив, у SI ICE пиковый КПД составляет около 30%, и этот КПД резко снижается за счет снижения нагрузки. CI ICE поставляют механическую энергию по запросу с эффективностью преобразования топлива, которая также выше, чем эффективность электростанций на сжигании топлива, вырабатывающих электроэнергию.По данным EIA (2018), в 2017 году в США угольные парогенераторы работали со средней эффективностью 33,98%. Парогенераторы на нефтяном и природном газе работают примерно с одинаковым КПД — 33,45 и 32,96%. Газотурбинные генераторы работают с пониженным КПД 25,29% для нефти и 30,53% для природного газа. КПД генераторов с двигателями внутреннего сгорания выше, чем у газовых турбин и парогенераторов: 33,12% для нефти и 37,41% для природного газа. Только парогазовые генераторы, не работающие на нефти, имеют КПД 34.78%, но с природным газом, который имеет КПД 44,61%, превосходят генераторы внутреннего сгорания.

По сравнению с электрической мобильностью, двигатели CIDI ICE по-прежнему имеют неоспоримые преимущества для транспортных приложений (Boretti, 2018). Однако у CIDI ICE плохая репутация, что ставит под угрозу его потенциал. Дизельные двигатели CIDI ICE в недавнем прошлом не смогли обеспечить удельные выбросы NOx для сертификационных циклов холодного пуска во время прогретых реальных графиков вождения, которые сильно отличались от сертификационных циклов (Boretti, 2017; Boretti and Lappas, 2019).Этот досадный случай был разыграен против CIDI ICE, чтобы создать впечатление, что этот двигатель экологически вреден для выбросов загрязняющих веществ, хотя это не так.

Значительные выбросы NOx двигателей CIDI ICE являются результатом большого образования NOx в цилиндрах при избыточном обедненном воздухе стехиометрии в сочетании с неправильной работой системы последующей обработки. Катализатор обедненного сжигания ДВС CIDI менее развит, чем трехкомпонентный каталитический преобразователь (TWC) стехиометрических ДВС SI (Heywood, 1988; Zhao, 2009; Mollenhauer and Tschöke, 2010; Reşitoglu et al., 2015). Кроме того, не учитывалась длительная разминка при эксплуатации (Boretti and Lappas, 2019). Кроме того, некоторые производители, применяющие впрыскивание мочевины в доочистку, решили вводить меньше мочевины, чем необходимо, когда это не строго требуется сертификацией выбросов. Точно так же некоторые производители также сосредоточились на вопросах управляемости и экономии топлива, а не на выбросах, когда их строго не спрашивали, вдали от условий эксплуатации, вызывающих озабоченность при сертификации выбросов. Таким образом, несоблюдение требований по выбросам NOx в случайно выбранных условиях не было фундаментальным недостатком двигателей CIDI ICE в целом, а только конкретных продуктов, разработанных с учетом нормативов выбросов и требований рынка в конкретное время.Противники CIDI ICE не считают, что эти двигатели оснащены уловителями твердых частиц с почти идеальной эффективностью, циркуляция автомобилей, оснащенных этими двигателями, в сильно загрязненных районах приводит к лучшим условиям для выхлопной трубы, чем условия впуска, для твердых частиц, что способствует для очистки воздуха.

Настоящая статья представляет собой объективный обзор плюсов и минусов экономичного сжигания, CIDI ICE, которые намного лучше, чем предполагалось. Поскольку ДВС, безусловно, потребуется в ближайшие десятилетия, дальнейшие улучшения сжигания обедненной смеси CIDI ICE будут полезны для экономики и окружающей среды.Помимо дизельных двигателей CIDI ICE, в этой работе также рассматриваются двухтопливные двигатели, работающие на дизельном СПГ (Goudie et al., 2004; Osorio-Tejada et al., 2015; Laughlin and Burnham, 2016), дизель-CNG (Maji et al. , 2008; Shah et al., 2011; Ryu, 2013) или дизель-СНГ (Jian et al., 2001; Ashok et al., 2015). Работа с небольшим количеством дизельного топлива и гораздо большим (с точки зрения энергии) количеством гораздо более легкого углеводородного топлива с пониженным содержанием углерода до водорода позволяет еще больше снизить выбросы ТЧ при выходе из двигателя, а также CO _{. 2} выбросов и освобождение от компромисса PM-NOx, влияющего на стратегии впрыска только дизельного топлива, также сокращают выбросы NOx из двигателя.Также рассмотрены тенденции развития двухтопливных двигателей CIDI ICE.

Использование биодизеля для производства низкоуглеродного дизельного топлива с использованием однотопливного подхода, безусловно, является еще одним вариантом сокращения выбросов CO ₂ . Хотя эта возможность не влияет на выбросы загрязняющих веществ, производство биотоплива в целом растет, но не ожидаемыми темпами (IEA, 2019), и вопрос о соотношении продуктов питания и топлива (Ayre, 2007; Kingsbury, 2007; Inderwildi) and King, 2009) также может иметь негативный вес в мире с прогнозируемым неизбежным водным и продовольственным кризисом (United Nations, 2019).Кроме того, преимущества биотоплива перед LCA являются давними и противоречивыми дебатами в литературе (McKone et al., 2011).

Существует возможность выбросов метана из двухтопливных дизельных двигателей, работающих на природном газе (Camuzeaux et al., 2015). Поскольку метан является мощным парниковым газом, этот аспект следует должным образом учитывать при сокращении выбросов парниковых газов. Существует не только возможность утечки метана из транспортных средств, оснащенных двухтопливными дизельными двигателями, работающими на СПГ. Также существуют выбросы метана при добыче нефти и газа.Помимо выбросов метана при добыче природного газа, существуют выбросы электроэнергии, связанные с эксплуатацией завода по производству СПГ. Хотя СПГ (и КПГ), безусловно, будет иметь преимущества по сравнению с дизельным топливом, это преимущество может быть меньше, чем то, что можно было бы вывести из отношения C-H в топливе. Безусловно, существует проблема сокращения выбросов метана, связанных с производством, транспортировкой и сжижением природного газа (Ravikumar, 2018).

Наконец, хотя фумигация природным газом для двухтопливных дизельных двигателей широко используется, поскольку она намного проще и может быть достигнута за счет низкотехнологичных преобразований, и, таким образом, большинство транспортных средств используют этот подход, дизельные двигатели переведены на дизельное топливо и фумигированный природный газ страдают от значительного снижения эффективности преобразования топлива по сравнению соригинальный дизель, как при полной, так и при частичной нагрузке, с пониженной мощностью и плотностью крутящего момента. Если природный газ смешивается (окуривается) с всасываемым воздухом перед подачей в цилиндр, а дизельное топливо используется в качестве источника воспламенения, количество вводимого природного газа ограничивается возможностью детонации предварительно смешанной смеси. Кроме того, нагрузка обычно регулируется дросселированием впуска, как в обычных бензиновых двигателях, а не количеством впрыскиваемого топлива, как в дизельном двигателе.Поскольку цель состоит в том, чтобы обеспечить равные или лучшие характеристики (мощность, крутящий момент, переходный режим) и выбросы новейшего дизельного топлива с двухтопливной конструкцией, эта двухтопливная конструкция должна предусматривать прямой впрыск дизельного и газообразного топлива.

Происхождение плохой репутации дизеля

Плохая репутация дизеля и двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в целом является результатом действий Совета по воздушным ресурсам Калифорнии (CARB), а также Агентства по охране окружающей среды США (EPA) (Parker , 2019), с « Дизель-Ворота » только один шаг.

В те времена водородная экономика была более вероятной моделью будущего для транспорта, лучше, чем любая другая альтернатива, учитывая непостоянство производства энергии ветра и солнца (Crabtree et al., 2004; Muradov and Veziroglu, 2005; Marbán and Valdés- Солис, 2007). Предполагалось, что в автомобилях будут использоваться ДВС, работающие на возобновляемом водороде (H ₂ -ICE), со всем, кроме кардинальных изменений, которые требовались в технологии двигателей, но усилия в основном были направлены на хранение и распространение.Примерно в те же дни была популярна идея метанольной экономики, когда метанол, полученный с использованием возобновляемого водорода и CO ₂ , улавливаемого на угольных электростанциях, был прямой заменой традиционного бензинового топлива (Olah, 2004 , 2005). H ₂ -ICE стал историей после того, как CARB рассмотрел BMW Hydrogen 7, первое транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания, которое было поставлено на рынок, не квалифицировалось как автомобиль с нулевым уровнем выбросов (CO ₂ ). В 2005 году BMW предложила автомобиль Hydrogen 7 как автомобиль с нулевым уровнем выбросов.При сжигании водорода в выхлопной трубе был в основном водяной пар и абсолютно не выделялся CO ₂ , но Агентство по охране окружающей среды США не согласилось с нулевым уровнем выбросов CO ₂ (Nica, 2016). Агентство по охране окружающей среды США заявило, что у транспортного средства все еще был ДВС, с возможностью того, что масло, используемое для смазки, могло попасть в цилиндр, образуя CO ₂ . Тот факт, что общий расход масла составлял ничтожно малые 0,04 л масла на 1000 км, не учитывался. Из-за неофициальных обсуждений BMW отказалась от исследования водородных ДВС.Все остальные производители оригинального оборудования впоследствии прекратили свои исследования и разработки.

Что касается негативного отношения CARB и Агентства по охране окружающей среды США к ДВС в целом, в 2011 году BMW предложила в качестве концепт-кара аккумуляторно-электрический i3 с возможностью расширения запаса хода (Ramsbrock et al., 2013; Scott and Burton, 2013). . Расширителем запаса хода был небольшой бензиновый ДВС, приводивший в действие генератор для подзарядки аккумулятора. Внедрение расширителя диапазона позволило увеличить запас хода автомобиля и снизить стоимость, вес и объем аккумуляторной батареи, что является серьезной проблемой для экономики и окружающей среды.Поскольку производство планируется начать только в 2013 году, CARB сразу же поспешил установить правила, чтобы предотвратить оптимизацию этой концепции, выпустив в 2012 году (CARB, 2012) чрезмерно долгое правило, предписывающее, что расширитель диапазона должен использоваться только для достижения ближайшей подзарядки. точка. В промежутке между другими требованиями CARB запросил у транспортного средства с расширителем запаса хода номинальный запас хода на полностью электрической основе не менее 75 миль, диапазон меньше или равный диапазону заряда батареи от вспомогательной силовой установки, и, наконец, чтобы Вспомогательная силовая установка не должна включаться до тех пор, пока не разрядится аккумулятор.В результате всех этих ограничений BMW изо всех сил пыталась сделать расширитель диапазона конкурентоспособным, и в конечном итоге они недавно прекратили производство i3 с расширителем диапазона (Autocar, 2018).

Эти два события помогают объяснить « diesel-gate » 2015 года и последующее « дизель-фобию ». Дизельный двигатель был популярен (для легковых автомобилей) в основном в Европе, и ЕС продвигал дизельные автомобили для решения проблем изменения климата. В то время было ясно, что преждевременный переход к электромобильности мог привести к экономической и экологической катастрофе.Таким образом, концерн Volkswagen стал мишенью скандала « дизельный вентиль ». Дизельные ДВС обеспечивали низкий уровень выбросов CO ₂ , конкурируя с аккумуляторными электромобилями при анализе жизненного цикла, при этом выделяя меньше, чем предписано, загрязняющих веществ в ходе испытаний, предписанных в то время. Легковые автомобили тестировались на соответствие правилам выбросов в течение заданного цикла, в лаборатории, в повторяемых условиях с правильным оборудованием. Международный совет по чистому транспорту (ICCT) организовал случайную езду по дорогам на различных дизельных транспортных средствах и измерения загрязняющих веществ с помощью PEM.Они обнаружили, что автомобили, оптимизированные для производства низких удельных (на км) выбросов CO ₂ и выбросов загрязняющих веществ в определенных условиях, не смогли обеспечить такие же удельные выбросы при любых других условиях, как это было логично. EPA выпустило уведомление о нарушении в отношении Volkswagen, что привело к огромному штрафу в следующих судебных исках. « Diesel-gate » обошлась VW более чем в 29 миллиардов долларов в виде штрафов, компенсаций и обратных закупок, в основном в США (физ.орг, 2018). Часть миллиарда долларов Volkswagen в конечном итоге была направлена ​​на поддержку мобильности электромобилей с аккумулятором, финансирование инфраструктуры подзарядки электромобилей в Соединенных Штатах отдельными поставщиками (O’Boyle, 2018). Затем « Diesel-gate » использовался для определения конца мобильности на базе ICE (Raftery, 2018; Taylor, 2018).

Предполагаемый избыточный выброс NOx транспортными средствами, оснащенными дизельными ДВС CIDI, которые начинались с « diesel gate », по-прежнему популярны, хотя и не соответствуют действительности (Chossière et al., 2018) утверждает, что дизельные автомобили вызвали в 2015 году 2700 преждевременных смертей только в Европе из-за их выбросов NOx «на превышающих ». Эта работа не является объективной при анализе выбросов дизельного двигателя. Неверно утверждать, что дизельные автомобили в ЕС выбрасывают на дороге гораздо больше NOx, чем нормативные ограничения. Как было написано ранее, правила выбросов регулируют выбросы загрязняющих веществ в конкретных условиях лабораторных испытаний, а не во всех других возможных условиях.Неразумно ожидать определенной экономии топлива и выбросов регулируемых загрязнителей и углекислого газа, которые не зависят от конкретного испытания. Чтобы иметь выбросы « превышение », сначала необходимо установить предел для конкретного применения, а затем — показатель « превышение » при определенных условиях. Утверждение о преждевременной смертности, вызванной чрезмерными выбросами NOx от дизельных транспортных средств, основано на завышенной разнице выбросов NOx, предполагая, что выбросы намного хуже, чем фактические, и сравнивая этот выброс с невероятной эталонной ситуацией, близкой к нулю.Требование также основано на завышении количества смертей в этой разностной эмиссии. Эти два предположения не подтверждаются проверенными данными.

Поскольку более современные дизельные автомобили заменили еще больше загрязняющих окружающую среду автомобилей, единственное возможное объективное утверждение, которое можно сделать о выбросах старых и новых дизельных автомобилей в Европе, основанное на неоспоримых доказательствах, основано только на правилах рассмотрения жалоб на выбросы время их регистрации. Поскольку правила выбросов стали все более ограничительными, хотя и подтверждено только лабораторными сертификационными испытаниями, как показано в таблице 1, неверно предполагать, что дизельные ДВС CIDI выбрасывают больше NOx, чем раньше.В то время как дизельные пассажирские автомобили, соответствующие стандарту Евро 6, должны были выделять менее 0,08 г / км NOx при выполнении лабораторных испытаний NEDC, дизельные автомобили, соответствующие стандартам Евро 5–3, могли выделять 0,18, 0,25 и 0,50 г / км тот же тест, и дизельные автомобили, соответствующие стандартам Euro 1 и 2, должны были проверить только пороговые значения выбросов 0,7-0,9 и 0,97 г / км в одном и том же тесте. Нет никаких измерений, подтверждающих, что старые дизельные автомобили, которые соответствовали предыдущим европейским правилам, были более экологически чистыми по всем критериям загрязнения, включая NOx, во время реального вождения, чем новейшие дизельные автомобили.Кроме того, характеристики выбросов обычно ухудшаются с возрастом, а отсутствие технического обслуживания может еще больше усугубить ситуацию. Это делает заявление Chossière et al. (2018) непоследовательно.

Таблица 1 . Нормы выбросов Евросоюза для легковых автомобилей (категория M) положительного (бензин) и компрессионного (дизельного) исполнения.

Преимущества и недостатки экономичного двигателя CIDI

Основным преимуществом сжигания обедненной смеси, CIDI ICE, является эффективность преобразования топлива, которая намного выше, чем у стехиометрических, SI ICE, как при полной нагрузке, так и, более того, при частичной нагрузке (Heywood, 1988; Zhao, 2009; Mollenhauer and Чёке, 2010).В то время как у легковых автомобилей с обедненной топливной смесью CIDI ICE на дизельном топливе пиковая эффективность преобразования топлива составляет около 45%, пиковая эффективность легковых автомобилей со стехиометрическими двигателями SI ICE, работающими на бензине, составляет всего около 35%. Уменьшение нагрузки за счет количества впрыскиваемого топлива, эффективности преобразования топлива при сжигании обедненной смеси, CIDI ICE является высоким в большей части диапазона нагрузок. И наоборот, при уменьшении нагрузки, дросселируя впуск, эффективность преобразования топлива стехиометрического, SI ICE резко ухудшается при уменьшении нагрузки.Это дает возможность легковым автомобилям, оснащенным системой сжигания обедненной смеси CIDI ICE, потреблять гораздо меньше топлива и, следовательно, выделять гораздо меньше CO ₂ во время ездовых циклов (Schipper et al., 2002; Zervas et al., 2006; Johnson , 2009; Zhao, 2009; Mollenhauer, Tschöke, 2010; Boretti, 2017, 2018; Boretti, Lappas, 2019).

Бедная смесь после обработки в целом (дизельные ДВС CIDI изначально работают на обедненной смеси, за исключением случаев экстремального использования рециркуляции выхлопных газов, EGR), однако, намного менее эффективна, чем стехиометрическая после обработки преобразователями TWC бензиновых ДВС SI (Lloyd and Cackette, 2001; Burtscher, 2005; Maricq, 2007).Следовательно, выбросы регулируемых загрязняющих веществ, в частности NOx, в течение рабочих циклов, которые в значительной степени отклоняются от сертификационных циклов, являются намного более продолжительными и требуют, чтобы двигатель работал в значительной степени полностью прогретым, намного больше в ДВС, работающем на обедненной смеси, чем стехиометрические ДВС. Кроме того, двигатели CIDI ICE, работающие на обедненной смеси, содержат твердые частицы, что является обычным недостатком, даже в меньшей степени, двигателей с прямым впрыском топлива, включая двигатели SI DI ICE. ТЧ возникают, когда закачиваемая жидкость, еще жидкая, взаимодействует с пламенем, образуя сажу.Сажа образуется в богатых топливом областях камеры сгорания (Hiroyasu and Kadota, 1976; Smith, 1981; Neeft et al., 1997). Постное сжигание, CIDI ICE, таким образом, нуждаются в ловушках для частиц (Neeft et al., 1996; Saracco et al., 2000; Ambrogio et al., 2001; Mohr et al., 2006). Однако это также есть возможность, поскольку циркуляция в областях с фоновыми частицами может обеспечить лучшее качество воздуха в выхлопной трубе, чем во впускной. Кроме того, двигатели CIDI ICE, работающие на обедненной смеси, эти двигатели, как правило, с турбонаддувом, стоят дороже.Двухтопливный режим работы с LPG, CNG или LNG не имеет никаких недостатков с точки зрения регулируемых загрязняющих веществ или CO ₂ , а дает только преимущества.

Эффективность преобразования топлива

Без нацеливания на рекуперацию отработанного тепла (WHR) дизельные двигатели CIDI ICE доказали свою способность достигать максимальной эффективности преобразования топлива около 50%, обеспечивая при этом чрезвычайно высокое среднее эффективное давление при торможении в гонках на выносливость (Boretti and Ordys, 2018). Благодаря высокому давлению, высокой степени распыления, высокой скорости потока и быстродействующим форсункам, несколько стратегий впрыска позволяют контролировать процессы сгорания, происходящие в объеме камеры сгорания, для наилучшего компромисса между работой давления, повышением давления и пиковое давление.

В то время как системы рекуперации отработанного тепла (WHR), безусловно, могут улучшить стационарную эффективность преобразования топлива в дизельных двигателях (Teng et al., 2007, 2011; Teng and Regner, 2009; Park et al., 2011; Wang et al., 2014; Yu et al., 2016; Shi et al., 2018), переходные процессы при холодном пуске — это ахиллесова пята традиционных WHR. Кроме того, WHR увеличивают вес, тепловую инерцию, проблемы с упаковкой и сложность. Инновационные концепции для WHR, использующие контур охлаждающей жидкости в качестве подогревателя модифицированного «турбокомпрессора » (Freymann et al., 2008, 2012) без необходимости использования двойного контура, требуют значительных усилий в области исследований и разработок.

Результаты, достигнутые Audi в гонках на выносливость (Audi, 2014) менее чем за десять лет разработок, очень важны. С 2006 по 2008 год Audi использовала двигатель V12 TDI в Audi R10 TDI. Двигатель объемом 5,5 л развивал крутящий момент 1100 Нм. На номинальной скорости очень тихий твин-турбо выдавал около 480 кВт. В 2009 и 2010 годах Audi перешла на V10 TDI в Audi R15 TDI. Он был короче и легче двенадцатицилиндрового.Рабочий объем 5,5 л был распределен на два цилиндра меньше. Двигатель имел примерно 440 кВт и крутящий момент более 1050 Нм. Верхний BMEP превышал 24 бара. Затем, с 2011 по 2013 год, Audi перешла на V6 TDI в Audi R18 TDI, R18 ultra и R18 e-Tron Quattro. Уменьшение объема двигателя позволило довести рабочий объем двигателя до 3,7 л. Легкий и компактный двигатель V6 TDI развивал более 397 кВт и крутящий момент более 900 Нм. Система Common Rail создавала давление до 2600 бар. Верхний BMEP превышал 30 бар.

Когда основное внимание уделялось экономии топлива, в 2014 году двигатель V6 TDI в Audi R18 e-Tron Quattro был оснащен переработанным двигателем V6 TDI с рабочим объемом 4,0 л. Максимальная мощность составляла 395 кВт, а максимальный крутящий момент — более 800 Нм. Давление закачки составило более 2800 бар. Расход топлива снизился более чем на 25% по сравнению с 3,7-литровым двигателем. Последняя (2016 г.) выходная мощность 4-литрового двигателя составляла 410 кВт, что соответствовало 870 Нм крутящего момента при максимальной скорости 4500 об / мин.Это преобразовалось в BMEP 27,3 бар в рабочей точке максимальной скорости / максимальной мощности. Последние двигатели имели ограниченный расход топлива, так что для системы рекуперации энергии 6 МДж (ERS) для торможения максимальный расход топлива составлял 71,4 кг / ч. Для дизельного топлива с низшей теплотворной способностью (НТС) 43,4 МДж / кг мощность потока топлива составила 860,8 кВт. Таким образом, максимальная мощность была получена при пиковом КПД торможения η = 0,475, что намного больше, чем максимальный КПД многих серийных высокоскоростных дизельных двигателей, которые могут работать, вплоть до максимального КПД η = 0.45 на более низких оборотах двигателя.

Из расчетов максимальный крутящий момент, а также максимальная эффективность торможения были получены при скоростях <4500 об / мин, что является технологическим пределом диффузионного горения (Boretti and Ordys, 2018). Из-за постоянного времени, необходимого для испарения топлива и смешивания с воздухом, фаза диффузионного сгорания имеет продолжительность в градусах угла поворота коленчатого вала, которая увеличивается с частотой вращения двигателя. Таким образом, на скоростях выше 4500 об / мин продолжительность фазы сгорания обычно становится чрезмерной, и гораздо лучшая мощность достигается на более низких скоростях.Максимальный крутящий момент, скорее всего, превышал 916 Нм, что соответствует BMEP 29 бар. Пиковая эффективность преобразования топлива с большой вероятностью приближалась к η = 0,50. Дальнейшие разработки в области гонок были в пределах легкой досягаемости, в то время как деятельность была остановлена ​​после « diesel-gate ». Более высокое давление впрыска и более совершенный турбонаддув, такой как современный F1 e-turbo или супер турбонаддув (Boretti and Castelletto, 2018; Boretti and Ordys, 2018), могли бы быть полезны для обычных серийных дизельных двигателей для легковых автомобилей.

Выбросы при лабораторных испытаниях

Прошлая сертификация выбросов, которая проводилась производителями оригинального оборудования (OEM) и не подвергалась независимым испытаниям, была связана с неточностями в тестах и ​​несоответствием цикла сертификации (Boretti, 2017; Boretti and Lappas, 2019). Короткий, сильно стилизованный новый европейский ездовой цикл (NEDC) был чрезвычайно далек от реальных условий вождения, с которыми сталкиваются европейские пассажиры. Поскольку более двух десятилетий OEM-производители были вынуждены сосредоточить свои RandD на производстве двигателей, соответствующих требованиям и экономичных во время этого цикла, из-за ухудшения состояния из-за холодного запуска, другие возможные применения не регулировались и оставались на усмотрение OEM.Неточности (и осторожность) в способе проведения испытаний привели к множеству несоответствий, начиная с большого разброса выбросов углекислого газа (CO ₂ ) при потреблении теоретически одного и того же литра топлива (Boretti and Lappas, 2019). Новый согласованный во всем мире цикл испытаний легких транспортных средств (WLTC), который недавно заменил NEDC из-за « дизельного затвора » (Chossière et al., 2018), лучше, поскольку он немного длиннее. Тем не менее, это по-прежнему связано с условиями вождения, отличными от тех, которые наблюдаются в часы пик в густонаселенных районах (Boretti and Lappas, 2019).

С исторической точки зрения, правила выбросов из года в год ужесточаются и ужесточаются, но заявлено, что они измеряются только в ходе предписанных лабораторных испытаний. В таблице 1 представлены нормы выбросов Европейского Союза (ЕС) для легковых автомобилей (категория M) с принудительным (бензин) и компрессионным (дизель) воспламенением. Несгоревшие углеводороды (HC) + NOx были предписаны для бензина и дизельного топлива только стандартами Euro 1 и 2. Выбросы были проверены через NEDC с использованием лабораторной процедуры динамометрического стенда.На протяжении многих лет от OEM-производителя требовалось производить автомобили, выбрасывающие меньше, чем регулируемый загрязнитель, в течение определенного цикла сертификации во время лабораторных испытаний. Реальное вождение было нематериальным понятием, не переведенным ни в одно конкретное законодательное требование. Снижение предельных значений выбросов NOx и PM в стандартах Euro 5 и 6 привело к резкому увеличению затрат на последующую обработку и к увеличению, а не снижению расхода топлива, иногда с проблемами управляемости.Еще раз важно понимать компромисс между экономией топлива и выбросами загрязняющих веществ и понимать, что чрезмерные запросы по одному критерию могут привести к невозможности удовлетворить другие критерии.

Выбросы от вождения в реальном мире

Только недавно Европейский Союз (ЕС) ввел тесты на выбросы выхлопных газов в реальных условиях движения (RDE). Выбросы от дорожных транспортных средств теперь измеряются с помощью портативных анализаторов выбросов (PEM). Тест RDE должен длиться 90–120 минут и включать один городской (<60 км / ч), один сельский (60–90 км / ч) и один автомагистральный (> 90 км / ч) сегмент равного веса, покрывающий расстояние. не менее 16 км.Затем в пределах выбросов RDE используются коэффициенты соответствия, относящиеся к лабораторным испытаниям на динамометрическом стенде. Что касается NOx, коэффициент соответствия составляет 2,1 с сентября 2017 года для новых моделей и с сентября 2019 года для всех новых автомобилей. Другие факторы соответствия еще предстоит определить. Хотя тест RDE по-прежнему не является репрезентативным для реального вождения в густонаселенных районах, он неточный, субъективный, невоспроизводимый и еще не определяющий (Boretti and Lappas, 2019), это, безусловно, шаг вперед.

Реальные данные по австралийским выбросам от вождения транспортных средств, выпущенных до введения новых правил, предложены ABMARC (ABMARC, 2017). В отчете, подготовленном для Австралийской автомобильной ассоциации, представлены результаты испытаний на выбросы и расход топлива 30 различных легковых и легких коммерческих автомобилей, измеренные с помощью PEMS на австралийских дорогах. Большинство автомобилей соответствовали стандартам Euro 4, 5 и 6, а 1 из них соответствовал стандартам Euro 2. Реальный расход топлива протестированных автомобилей по сравнению с результатами цикла сертификации был в среднем на 23% выше, на 21% выше для автомобилей с дизельным двигателем, с 4% ниже до 59% выше и на 24% выше для автомобилей с бензиновым двигателем, начиная с 3% ниже до 55% выше.У одного транспортного средства, работающего на сжиженном нефтяном газе, реальный расход топлива на 27% выше, чем результат цикла сертификации. У одного гибридного автомобиля с подзарядкой от сети реальный расход топлива на 166% выше, чем результат цикла сертификации с полным состоянием заряда, и на 337% выше при испытании с низким уровнем заряда. Данные о расходе топлива для автомобилей с дизельными сажевыми фильтрами включают поправочный коэффициент для учета регенерации фильтра.

Таким образом, расхождения между лабораторными испытаниями и реальным вождением были разными не только для автомобилей, оснащенных дизельными ДВС CIDI, но и для автомобилей с бензиновыми ДВС SI, а также с традиционными и гибридными силовыми агрегатами.Однако основным отличием были выбросы NOx дизельных двигателей CIDI. В последних правилах ЕВРО автомобили должны соответствовать все более строгим стандартам выбросов регулируемых загрязняющих веществ, а также сокращать выбросы CO ₂ . Поскольку эти требования противоречили друг другу и их трудно было удовлетворить, несоответствие между реальным расходом топлива и результатами цикла сертификации увеличивается с увеличением стандарта. Автомобили, соответствующие стандарту Euro 6, имеют наибольшее расхождение между реальными результатами и результатами цикла сертификации.

Что касается выбросов, то у 13 транспортных средств превышены удельные выбросы NOx, предписанные для цикла сертификации. Из этих 13 автомобилей 11 были дизельными. Только 1 из 12 автомобилей с дизельным двигателем произвел выброс NOx в пределах цикла сертификации. Пять автомобилей с бензиновым двигателем превысили лимит выбросов CO в сертификационном цикле. Только 1 автомобиль с дизельным двигателем превысил лимит PM цикла сертификации. В среднем выбросы NOx и PM у автомобилей с дизельным двигателем были в 24 и 26 раз выше, чем у автомобилей с бензиновым двигателем, а выбросы CO у автомобилей с дизельным двигателем были в 10 раз ниже, чем у автомобилей с бензиновым двигателем.Транспортные средства с дизельным двигателем превысили предел NOx сертификационного цикла на 370%, а автомобили с бензиновым двигателем выбросили 43% от предельного значения NOx сертификационного цикла. Автомобили с бензиновым двигателем выбрасывают 95% предельного количества CO, установленного в сертификационном цикле. Транспортные средства с дизельным двигателем выбрасывают 20% от предельного количества CO от сертификационного цикла. Что касается ТЧ, то выбросы дизельных автомобилей составили 43% от предельного количества ТЧ сертификационного цикла, а от автомобилей с 2-х бензиновым прямым впрыском (GDI) выбрасывается 26% от предельного количества ТЧ цикла сертификации.Что касается выбросов NOx от двигателей с обедненным горением CI, измеренные результаты были лучше, чем заявленные во время « дизельный затвор » или заявленные в таких работах, как (Chossière et al., 2018).

Новые правила были введены после « дизельный затвор », а дизельные двигатели CIDI были улучшены. Реальные европейские данные о выбросах транспортных средств, выпущенных после введения новых правил, представлены ACEA (2018a). В ходе правильно проведенной экспериментальной кампании, в повторяемых условиях, с соответствующим оборудованием и с применением научного метода, Европейская ассоциация автопроизводителей (ACEA) недавно показала, что все 270 протестированных автомобилей с дизельным двигателем были ниже пределов выбросов, установленных недавно. тесты по вождению в реальных условиях (RDE), как общие, так и городские.Ни один из транспортных средств не превышал установленный в настоящее время удельный выброс NOx в 165 мг / км (ACEA, 2018a), рис. 1. Подробные результаты одобрения типа для 270 типов дизельных транспортных средств, совместимых с RDE, доступны в ACEA (2018b). . Результаты RDE для отдельных автомобилей можно найти на сайте (ACEA, 2018c).

Новые данные, опубликованные ACEA, недвусмысленно свидетельствуют о том, что дизельные автомобили последнего поколения выделяют низкие выбросы загрязняющих веществ на дорогах и являются экономичными. Испытания проводились в реальных условиях вождения водителями различных национальных органов по официальному утверждению типа.270 новых типов дизельных автомобилей, сертифицированных по последнему стандарту Euro 6d-TEMP, были представлены на европейском рынке за последний год. Все эти дизельные автомобили показали очень хорошие результаты ниже порогового значения NOx теста RDE, которое теперь применяется ко всем новым типам автомобилей с сентября 2017 года. Большинство этих автомобилей имеют выбросы NOx значительно ниже более строгого порога, который будет обязательным с января 2020 года. test гарантирует, что уровни выбросов загрязняющих веществ, измеренные во время новых лабораторных испытаний WLTP, подтверждаются на дороге.Каждый протестированный автомобиль представляет собой «семейство , », состоящее из похожих автомобилей различных вариантов. Эта деятельность доказывает, что дизельные автомобили, доступные сейчас на рынке, имеют низкий уровень выбросов в любом приемлемом состоянии. Немецкий автомобильный клуб (ADAC) недавно подсчитал, что на 30 октября 2018 года было доступно 1206 различных автомобилей, совместимых с RDE, как с бензиновым, так и с дизельным двигателем (ADAC, 2018a). Следовательно, дизельные ДВС CIDI не заслуживают плохой репутации, которую они получили из-за «дизельного затвора », что является скорее политическим, чем технологическим вопросом.

Современные дизельные автомобили, поддерживаемые политикой обновления парка и в сочетании с альтернативными силовыми агрегатами, могут сыграть важную роль в содействии городам в достижении целей по качеству воздуха при одновременном повышении топливной эффективности и сокращении выбросов CO ₂ в краткосрочной и среднесрочной перспективе . Недавние дорожные испытания, проведенные ADAC (2018b), показали, что новейшие автомобили с дизельным двигателем выбрасывают в среднем на 85% меньше NOx, чем автомобили стандарта Евро 5, а самые эффективные дизельные автомобили стандарта Евро 6, соответствующие требованиям RDE, выбрасывают на 95–99% меньше NOx по сравнению с автомобилями Euro 5.Каждый протестированный автомобиль выделяет меньше лимитов для каждого регулируемого загрязнителя. Эти автомобили также обеспечивают исключительную экономию топлива. Кроме того, есть возможность производить еще меньше CO ₂ и менее регулируемых загрязняющих веществ, переходя на двухтопливное дизельное топливо — СПГ, КПГ или СНГ.

PM Преимущества дизельных автомобилей

Дизельные двигатели не являются мишенью из-за того, что транспортный сектор вносит свой вклад в общее качество воздуха. Однако, поскольку качество воздуха во многих частях мира оставляет желать лучшего, а дизельные фильтры твердых частиц могут помочь улучшить качество воздуха, аргумент PM может фактически быть использован в пользу мобильности на основе дизельного топлива, а также против альтернатив, таких как электрические. мобильность.Хотя неверно утверждать, что более современные автомобили с дизельным двигателем выбрасывают « излишков » NOx и ухудшают качество воздуха, более современные автомобили с дизельным двигателем способствуют очистке воздуха загрязненных территорий, например, от твердых частиц. Из Таблицы 1 видно, что старые дизельные автомобили были произведены в соответствии с гораздо менее строгими правилами PM. Загрязнители воздуха выбрасываются из многих естественных и антропогенных источников, последние включают сжигание ископаемого топлива в электроэнергетике, промышленности, домашних хозяйствах, транспорте, промышленных процессах, использовании растворителей, сельском хозяйстве и переработке отходов.Следовательно, наличие транспортных средств с выбросами ТЧ из выхлопной трубы потенциально ниже, чем на впуске, — это возможность очистить воздух.

Табачный дым в окружающей среде (ETS) вызывает мелкие загрязнения внутри помещений PM, превышающие допустимые пределы для транспортных средств. Данные, сравнивающие выбросы ТЧ от ETS и автомобиля с дизельным двигателем Euro 3, показывают, что концентрации ТЧ в помещении в 10 раз превышают те, которые выбрасываются от двигателя с дизельным двигателем Euro 3 на холостом ходу (Invernizzi et al., 2004). Пределы PM были значительно улучшены для Euro 4, 5 и 6, а если быть точным, то в 10 раз.Исследование Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) (Martuzzi et al., 2006) показывает значительное воздействие PM ₁₀ на здоровье городского населения 13 крупных итальянских городов, оцениваемое как 8 220 случаев смерти в год, что связано с концентрациями PM ₁₀ выше 20 мкг / м. Это 9% смертности от всех причин (без учета несчастных случаев) среди населения старше 30 лет. Эти уровни PM ₁₀ не являются результатом использования новейших автомобилей с чистым дизельным двигателем.

Эффективность дизельных сажевых фильтров (DPF) относительно сложна (Fiebig et al., 2014). Новейшие технологии DPF более эффективны для больших размеров, в то время как менее эффективны или даже отрицательны для меньших нанометрических размеров. Мониторинг часто ограничивается PM ₁₀ — частицами диаметром 10 микрометров или PM _2,5 — частицами диаметром 2,5 микрометра. DPF может улавливать от 30% до более 95% микрометрических ТЧ (Barone et al., 2010). При оптимальном сажевом фильтре выбросы ТЧ могут быть снижены до 0,001 г / км или менее (Fiebig et al., 2014), что в 5 раз меньше, чем в настоящее время 0.005 of Euro 6. Хотя эта мера массы не учитывает загрязнение субмикрометрическими и нанометрическими частицами, в настоящее время нет контроля над этим типом загрязнителя из любого источника.

Если новые автомобили с дизельным двигателем не выбрасывают больше NOx, чем старые автомобили с дизельным двигателем, они, безусловно, выбрасывают гораздо меньше ТЧ и, возможно, при некоторых обстоятельствах способны очищать воздух от ТЧ, произведенных из других источников, которые не являются адекватным направлением деятельности директивных органов. . Случай Гонконга, который не является худшим на Земле, описан в Haas (2017).Помимо местных выбросов из различных источников, в том числе от легковых автомобилей, в Гонконг есть значительное количество загрязняющих веществ, занесенных из материкового Китая. Хотя данные о загрязнителях в Китае ограничены, хорошо известно, что Гонконг сталкивается с серьезными проблемами со здоровьем, связанными с загрязнением воздуха, в основном импортируемым с материка. Загрязнение воздуха в Гонконге не так плохо, как в Китае или Индии, где токсичное облако, получившее название « airpocalypse », часто покрывает значительную часть этих стран, но это все еще один хороший пример того, что более современные дизельные автомобили заменяют на дорога старые автомобили оказывают положительное влияние.

Из многих типов аэрозольных частиц, циркулирующих в атмосфере, одним из самых разрушительных является PM _2,5 . Во многих областях Китая и Индии уровни PM _2,5 и PM ₁₀ намного превышают рекомендованные ВОЗ, Рисунок 2. Рекомендации ВОЗ (среднегодовые): PM _2,5 из 10 мкг / м ³ и PM ₁₀ из 20 мкг / м ³ . Во всем мире средний уровень загрязнения окружающего воздуха колеблется от <10 до более 100 мкг / м ³ для PM _2.5 , и от <10 до более 200 мкг / м ³ , для PM ₁₀ . Случаи плохого качества воздуха широко распространены не только в Китае и Индии. Тем не менее, промышленный центр южного побережья Китая является одним из районов с наиболее сильным загрязнением, как Пекин и Дели. В то время как пекинский « airpocalypse » подавляется радикальными мерами, в основном направленными на использование угля, но также ограничивающими движение любого транспортного средства (South China Morning Post, 2018), « airpocalypse » Дели достигает нового чрезвычайно высокий, в том числе благодаря « сожженной стерни, » из окрестностей (Indiatimes, 2018).

Рисунок 2 . Карта PM _2,5 для Азии осенью 2018 года в режиме реального времени. Показаны только области, покрытые станциями. Изображение с Земли Беркли, www.berkeleyearth.org.

Качество воздуха в Гонконге не самое лучшее (Haas, 2017). Уровни загрязняющих веществ превышают стандарты ВОЗ более 15 лет. На пиках они более чем в пять раз превышают допустимые уровни. Выбросы от транспортных средств и судов являются одними из крупнейших местных источников загрязнения.Свою роль играют и электростанции, которые почти полностью зависят от ископаемого топлива, в основном угля. Однако около 60-70% PM поступает из материкового Китая. Этот поток чрезвычайно актуален, особенно зимой, когда импортируемый PM составляет около 77% от общего количества. В последние годы резко возросли масштабы астмы и бронхиальных инфекций. Только в Гонконге было зарегистрировано более 1600 фактов, а не гипотетических, как у Chossière et al. (2018), преждевременная смерть в 2016 году только из-за загрязнения воздуха (Haas, 2017).

В дополнение к улучшенным стандартам топлива и расширению использования электромобилей, значительное распространение новейших дизельных автомобилей, оборудованных уловителями твердых частиц, может еще больше способствовать улучшению качества воздуха в городе, которое по-прежнему не соответствует ни одному руководству ВОЗ.Что касается возможности использовать электромобили, подзаряжаемые электростанциями на горючем топливе, электромобили могут фактически способствовать загрязнению ТЧ. Согласно Hodan and Barnard (2004), крупнейшим источником PM _2,5 из антропогенных источников является износ шин и дорожного покрытия. Поскольку электромобили тяжелее и имеют более высокий крутящий момент, чем автомобили на базе ДВС, они производят намного больше PM _2,5 . Следовательно, увеличение количества электромобилей сделает Гонконг еще более грязным по отношению к PM, поскольку они производят PM _2.5 , и они не могут сжигать ТЧ, произведенные из других источников, например дизельный ДВС CIDI, оснащенный уловителем твердых частиц.

Как показано на Рисунке 1 и в Таблице 1, автомобили, оснащенные новейшими двигателями ХИ, не производят избыточных NOx, а из Рисунков 2, 3 видно, что во многих регионах мира концентрация ТЧ в воздухе намного выше, чем можно найти в выхлопной трубе автомобилей, оснащенных новейшими дизельными двигателями CIDI, таблица 1 и NO ₂ концентрации также довольно велики. Двухтопливный режим работы на СПГ, КПГ или СНГ с неизменным в остальном транспортным средством, в котором установлен сажевый фильтр, может еще больше способствовать очистке окружающего воздуха от твердых частиц.

Рисунок 3 . Среднемесячные концентрации для Китая в январе 2015 г.: PM _2,5 , вверху, и NO ₂ , внизу. Изображения с Земли Беркли, www.berkeleyearth.org.

Преимущества двухтопливного дизельного топлива — СПГ / СНГ / КПГ

Современные технологии

Дизель-СПГ (Goudie et al., 2004; Osorio-Tejada et al., 2015; Laughlin and Burnham, 2016), дизельное топливо-СПГ (Maji et al., 2008; Shah et al., 2011; Ryu, 2013) или дизельное топливо сжиженный нефтяной газ (Jian et al., 2001; Ashok et al., 2015) двигатели обеспечивают эффективность преобразования дизельного топлива и удельную мощность, улучшая при этом выбросы как регулируемых загрязняющих веществ (PM, NOx), так и CO ₂ . СПГ может использоваться для большегрузных автомобилей благодаря криогенному хранению. LPG (и CNG) может быть предпочтительным для применения в легковых и малотоннажных транспортных средствах.

Дизельные двигатели по-прежнему выделяют значительное количество углекислого газа (CO ₂ ) и выбросы твердых частиц (ТЧ) из двигателя из-за диффузионного сгорания тяжелых углеводородов, высокого отношения C / H и жидкого дизельного топлива.Выбросы оксидов азота (NOx) из двигателя также являются неотъемлемой частью процесса сжигания обедненной смеси в избыточном воздухе (Heywood, 1988). Как PM, так и NOx могут быть уменьшены посредством дополнительной обработки, хотя стратегии сжигания дизельного топлива часто определяются для наилучшего компромисса между NOx и PM.

Использование газообразного топлива с пониженным содержанием углерода, такого как природный газ, который в основном представляет собой метан CH ₄ , в жидкой форме, как СПГ, или в газовой форме, как СПГ, или сжиженный нефтяной газ (СНГ), в основном пропан C ₃ H ₈ , имеет интуитивно понятные основные преимущества в отношении выбросов CO ₂ по сравнению сдизельное топливо переменного состава, но примерно C _13,5 H _23,6 . Поскольку испарение намного проще, существуют также преимущества для выбросов ТЧ из двигателя и, следовательно, косвенно также для выбросов NOx из двигателя по сравнению с дизельным топливом (Kathuria, 2004; Chelani and Devotta, 2007; Yeh, 2007; Engerer and Horn, 2010; Lin et al., 2010; Kumar et al., 2011).

СПГ, КПГ и СНГ имеют меньшее соотношение углерода и водорода. Следовательно, гораздо меньше CO ₂ выбрасывается для получения такой же мощности с примерно такой же эффективностью преобразования топлива.CNG — это нагнетаемый газ. СПГ также является газом в нормальных условиях. LPG в нормальных условиях жидкий, но испаряется намного быстрее, чем дизельное топливо. Это практически сводит к нулю выбросы твердых частиц (кроме выбросов пилотного дизеля). Поскольку СПГ, КПГ и СНГ представляют собой высокооктановое топливо с низким цетановым числом, их трудно использовать отдельно в двигателе с воспламенением от сжатия. Проблема решена при работе на двух видах топлива (westport.com, 2019a, b). Воспламенение вызывает небольшое количество дизельного топлива. СПГ, КПГ или СНГ, впрыскиваемые до или после зажигания впрыска дизельного топлива, могут затем сгореть в смеси с предварительным смешиванием или диффузией.Первая фаза сгорания вызывает быстрое повышение давления. Скорость сгорания второй фазы определяется скоростью впрыска СПГ, КПГ или СНГ и предназначена для поддержания давления во время первой части такта расширения.

Одной из основных проблем, связанных с использованием СПГ или КПГ, является удельный объем топлива, поскольку плотность газа в нормальных условиях низкая. Это создает проблемы для системы впрыска, которой требуются форсунки с гораздо большей площадью поперечного сечения дизельного топлива, и значительно затрудняет быстрое срабатывание и возможности многократного впрыска, характерные для последних дизельных форсунок.Это также проблема для хранения, поскольку объем топлива, необходимый для данного количества энергии на борту транспортного средства, намного больше, чем у дизельного топлива. СПГ имеет лучшую объемную плотность, но для поддержания низкой температуры требуется криогенная система. КПГ имеет меньшую объемную плотность и дополнительно требует резервуаров под давлением.

Система Westport HPDI для дизельного топлива и КПГ / СПГ — это технология, хорошо зарекомендовавшая себя десятилетиями (Li et al., 1999; westport.com, 2015). Вначале HPDI представлял собой простой основной впрыск природного газа после пилотного / предварительного впрыска дизельного топлива.В последнее время HPDI развивается в сторону более сложных стратегий, регулирующих предварительно смешанное и диффузионное сжигание природного газа, как было предложено Боретти (2013).

Традиционный HPDI в сверхмощных ДВС позволяет ДВС, работающему на природном газе, сохранять рабочие характеристики, аналогичные характеристикам дизеля, при этом большая часть энергии обеспечивается за счет природного газа. Небольшой пилотный впрыск дизельного топлива (5–10% энергии топлива) используется для зажигания непосредственно впрыскиваемой газовой струи. Природный газ горит в режиме диффузионного горения с контролируемым смешением (Li et al., 1999; westport.com, 2015).

Технологии будущего

В нескольких работах описаны тенденции развития технологии HPDI. McTaggart-Cowan et al. (2015) отчет о двухтопливных форсунках 600 бар для СПГ. Событие сгорания СПГ ограничено давлением впрыска, которое определяет скорость смешения и сгорания. Значительное повышение эффективности и снижение PM достигаются при высоких нагрузках, и особенно на более высоких скоростях, за счет увеличения давления впрыска с традиционных 300 бар до последних 600 бар.Скорость горения ограничена. McTaggart-Cowan et al. (2015) сообщают о выгодах эффективности от более высоких давлений около 3%, добавленных к снижению выбросов твердых частиц на 40–60%.

Различные формы сопла были рассмотрены Mabson et al. (2016). Инжектор « сопла с парными отверстиями » был разработан для уменьшения образования твердых частиц за счет увеличения уноса воздуха из-за взаимодействия струи. Выбросы CO и PM были наоборот в 3–10 раз выше при использовании сопел с парными отверстиями. Сопло с парными отверстиями давало более крупные агрегаты сажи и большее количество частиц.

Mumford et al. сообщают об улучшениях Westport HPDI 2.0 (Mumford et al., 2017). HPDI 2.0 обеспечивает лучшие характеристики и уровень выбросов по сравнению с HPDI первого поколения, а также только с базовым дизельным двигателем. Мамфорд и др. (2017) также обсуждают потенциал и проблемы более высокого давления нагнетания.

Стратегии сжигания с контролируемой диффузией и с частичным предварительным смешиванием рассматриваются Florea et al. (2016) с помощью Westport HPDI. Сгорание с частичным предварительным смешиванием, называемое DI ₂ , является многообещающим, улучшая КПД двигателя более чем на 2 пункта по сравнению со стратегией сгорания с контролируемой диффузией.Модуляция двух фаз горения, потенциально более полезная, в работе не исследуется.

Режим горения DI ₂ также исследован в Neely et al. (2017). Природный газ впрыскивается во время такта сжатия перед зажиганием впрыска дизельного топлива. Показано, что такое сгорание природного газа с частичной предварительной смесью улучшает как термическую, так и эффективность сгорания по сравнению с традиционным режимом двухтопливного сгорания с фумигацией. Сгорание природного газа с частичной предварительной смесью также обеспечивает повышение теплового КПД по сравнению со сгоранием с регулируемой диффузией по базовой линии, когда впрыск природного газа происходит после впрыска дизельного зажигания.

Влияние стратегий впрыска на выбросы и характеристики двигателя HPDI изучено Faghani et al. (2017а, б). Они исследуют влияние позднего дополнительного впрыска (LPI), а также сгорания с небольшим предварительным смешиванием (SPC) на выбросы и характеристики двигателя. При использовании SPC впрыск дизельного топлива задерживается. Работа SPC при высокой нагрузке снижает PM более чем на 90% с повышением эффективности использования топлива на 2% при почти таком же уровне NOx. Однако SPC имеет большие вариации от цикла к циклу и чрезмерную скорость нарастания давления.ТЧ не увеличивается для SPC с более высоким уровнем рециркуляции отработавших газов, более высоким глобальным коэффициентом эквивалентности на основе кислорода (EQR) или более высокой контрольной массой, что обычно увеличивает количество ТЧ при сгорании HPDI с контролируемым смешиванием. LPI, последующий впрыск 10–25% от общего количества топлива, происходящий после основного сгорания, приводит к значительному сокращению выбросов твердых частиц с незначительным влиянием на другие выбросы и характеристики двигателя. Основное сокращение PM от LPI связано с уменьшением количества топлива при первом впрыске. Вторая закачка вносит незначительный чистый вклад в общее количество ТЧ.

Двухтопливный инжектор дизель-СПГ Westport HPDI дает отличные результаты. Однако у этого подхода есть фундаментальный недостаток. Он не обладает такими же характеристиками, как дизельные форсунки последнего поколения, как по скорости потока, так и по скорости срабатывания и распылению дизельного топлива. Таким образом, может быть предпочтительным соединение с одним дизельным инжектором последнего поколения со специальным инжектором для второго топлива, чтобы обеспечить лучшие характеристики впрыска как для дизельного, так и для второго топлива.Более высокое давление впрыска и более быстрое срабатывание являются движущими силами улучшенных режимов сгорания.

Двухтопливные дизель-водородные ДВС CIDI с возможностью установки двух прямых форсунок на цилиндр были исследованы, например, в (Boretti, 2011b, c). Один инжектор использовался для дизельного топлива, а другой — для водорода. Смоделированный дизельный двигатель, преобразованный в двухтопливный дизель-водород после этого подхода, продемонстрировал КПД при полной нагрузке до 40–45% и снижение потерь в КПД, снижая нагрузку, работающую немного лучше, чем базовое дизельное топливо в каждой рабочей точке.Хотя использование двух форсунок на цилиндр не представляет проблемы для новых двигателей, сложно установить две форсунки при модернизации существующих дизельных двигателей. Специальные форсунки прямого действия для СПГ, СНГ или КПГ требуют дальнейшего развития для конкретного применения.

Использование двух специализированных форсунок, а не одной двухтопливной форсунки с более высоким давлением впрыска, более быстрым срабатыванием и полной независимостью от впрыска отдельных видов топлива, обеспечивает гораздо большую гибкость в формировании впрыска.Двухтопливный режим обычно характеризуется предварительным / предварительным впрыском дизельного топлива, за которым следует основной второй впрыск топлива. Предпочтительно, чтобы второе топливо не впрыскивалось полностью после зажигания впрыска дизельного топлива. Его можно впрыскивать до или одновременно с дизельным топливом или после дизельного топлива, причем не только за один впрыск, но и за несколько впрысков. Таким образом, второе топливо может гореть частично предварительно смешанным и частично диффузионным.

Возможны разные режимы горения. « Controlled » HCCI — один из таких режимов.В управляемом HCCI второе топливо впрыскивается первым, и воспламенение дизельного топлива происходит до ожидаемого начала самовоспламенения HCCI (Boretti, 2011a, b). HCCI не имеет преимуществ с точки зрения эффективности преобразования топлива по сравнению с объемным сгоранием в центре камеры, окруженной воздушной подушкой. Однородное горение всегда страдает большими потерями тепла на стенках и неполным сгоранием на гашение пламени. HCCI также не создает пикового давления во время такта расширения, обеспечивая пиковое давление точно в верхней мертвой точке.Однако HCCI может иметь преимущества для выбросов из двигателя, поскольку это чрезвычайно низкотемпературный процесс, и это событие сгорания намного ближе к теоретически лучшему изохорному сгоранию из анализов цикла давления.

Наиболее интересные режимы — это предварительное смешение, диффузия или модулированное предварительное смешение и диффузия в центре камеры. При предварительно смешанном, но стратифицированном сгорании второе топливо впрыскивается в центр камеры и сжигается за счет впрыска дизельного топлива до однородного заполнения всей камеры.При диффузионном сгорании второе топливо впрыскивается в центр камеры после того, как воспламенение впрыска дизельного топлива создает подходящие условия для того, чтобы следующее сгорание проходило под контролем диффузии, и там оно сгорает. Существует возможность для предварительного впрыска второго топлива, а также для современного или последующего впрыска второго топлива в отношении пилотного / предварительного впрыска дизельного топлива, которые должны быть тщательно сформированы для обеспечения наилучшей эффективности преобразования топлива. в пределах ограничений по выбросам из двигателя, скорости нарастания давления и пиковому давлению.

Альтернатива электрической мобильности все еще преждевременна

Экологичность и экономичность дизельной мобильности не признается многими странами, которые в противном случае задумывались о преждевременном переходе на электрическую мобильность, не решив сначала многие проблемы электромобилей, т. Е. Высокую экономичность и экономичность. экологические затраты на строительство, эксплуатацию и утилизацию автомобилей, ограниченные характеристики этих тяжелых транспортных средств из-за все еще неадекватных технологий аккумуляторов, отсутствие инфраструктуры для подзарядки только за счет возобновляемых источников энергии.

Номинально для решения проблемы глобального потепления, а не загрязнения воздуха, Великобритания, Франция и Китай обсудили прекращение мобильности на базе ДВС к 2040 году. Однако данные МЭА (IEA, 2018) показывают, что производство геотермальной электроэнергии, Солнце, ветер, приливы, волны и океан по-прежнему составляли около 1% от общего количества в 2015 году, при этом общее предложение первичной энергии (ОППЭ) значительно превышает производство электроэнергии. Поскольку доля солнечной и ветровой энергии в TPES все еще невелика, не имеет смысла предлагать только электромобили, даже забывая о других ключевых моментах, связанных с поиском электрической мобильности.

В настоящее время анализ жизненного цикла выбросов CO ₂ (LCA) не показывает явного преимущества электрической мобильности по сравнению с мобильностью на базе ДВС (Boretti, 2018). Пример LCA для электрической мобильности критически зависит от того, как вырабатывается электричество, которое без огромного увеличения накопления энергии, а не просто увеличение зарегистрированной мощности ветра и солнца, нуждается в подкреплении ископаемым топливом. С 1990-х годов в аккумуляторных технологиях произошел прогресс, но пока еще не произошло необходимого прорыва.Производство, использование и утилизация электромобилей по-прежнему слишком дорого с экономической и экологической точек зрения, что связано с дополнительными проблемами, связанными с материалами, необходимыми для производства аккумуляторов, которые подвержены большему риску истощения, чем ископаемое топливо (Boretti, 2018). . Кроме того, эти материалы добываются неэтично в очень немногих местах.

Amnesty International (Onstad, 2019) недавно отметила, что индустрия электромобилей (EV) позиционирует себя как экологически чистые, но при этом многие из своих аккумуляторов производят с использованием ископаемого топлива и минералов, полученных из неэтичных источников, зараженных нарушениями прав человека.Маловероятно, что имеется достаточно сырья для удовлетворения ожидаемого резкого спроса на литий-ионные батареи электромобилей и подключенных к сети аккумуляторных систем для хранения периодически возобновляемой энергии ветра и солнца (Jaffe, 2017). Более того, без четкого пути для рециркуляции и отрицательных прошлых (и настоящих) примеров рециркуляции промышленно развитыми странами за счет экологического ущерба в развивающихся странах (Minter, 2016), электрическая мобильность может привести к значительному ущербу для экономики. и окружающая среда.

Хотя электрическая мобильность, безусловно, может решить некоторые проблемы загрязнения воздуха, связанные с транспортом, маловероятно, что это может произойти в ближайшее время, она не решает проблемы загрязнения из других источников, и в целом это еще не так. , где все включено. Потребление топлива для сжигания все еще резко увеличивается, и существует очень мало примеров технологических возможностей для преобразования химической энергии топлива в механическую или электрическую энергию с более высокой эффективностью преобразования энергии топлива и снижением выбросов загрязняющих веществ дизельных ДВС CIDI.Переход на электрическую мобильность в транспортном секторе потребует огромных затрат, в том числе с точки зрения выбросов парниковых газов.

Обсуждение и выводы

Хотя ICCT, Агентство по охране окружающей среды США и CARB описывают автомобили с дизельным двигателем как вредные для окружающей среды, последние испытания вождения в реальных условиях, проведенные ACEA, показывают, что это неверно. Современные дизельные автомобили имеют относительно низкие выбросы CO ₂ и загрязняющих веществ, включая NOx и PM. Как бы то ни было, движение дизельных автомобилей в сильно загрязненных районах может улучшить качество воздуха, загрязненного другими источниками, а не только старыми дизельными автомобилями.

Дизельные ДВС

CIDI могут быть улучшены и более экологичны благодаря дальнейшим усовершенствованиям в системе впрыска, а также в системе дополнительной обработки. ДВС CIDI также можно улучшить, просто приняв двухтопливную конструкцию со сжиженным нефтяным газом, сжатым природным газом или сжиженным природным газом в качестве второго топлива. Эти альтернативные виды топлива обеспечивают такие же или лучшие характеристики ДВС, работающего только на дизельном топливе, в том, что касается установившегося крутящего момента, мощности и эффективности преобразования топлива, а также переходных процессов, при этом значительно улучшая выбросы CO ₂ , а также Выбросы ТЧ и NOx из двигателя.

В дополнение к лучшему соотношению CH для выбросов CO ₂ , преимущества двухтопливных двигателей CIDI ICE с СПГ, КПГ или СНГ также проистекают из возможности регулирования фаз предварительного смешивания и диффузии сгорания с впрыском второго топливо, которое намного легче испаряется и менее склонно к самовоспламенению до, после или после предварительного / пилотного дизельного топлива. Также особенно важен для СПГ охлаждающий эффект за счет криогенного впрыска. Дальнейшие разработки в области системы впрыска являются областью серьезной озабоченности при разработке этих новинок двухтопливных ДВС CIDI.

Преимущества дизельных или двухтопливных двигателей CIDI ICE по сравнению с любыми другими альтернативными решениями для транспортных приложений в настоящее время не признаются ни одним директивным органом. Европейские автопроизводители уже приостановили свои планы исследований и разработок своих ДВС, чтобы сосредоточиться только на электромобилях. Учитывая нерешенные проблемы, связанные с электромобильностью, это может вскоре оказаться неправильным для экономики и окружающей среды. Использование более современных дизельных транспортных средств и транспортных средств, работающих на двухтопливном дизельном топливе, может только спасти жизни, но не вызывать смертность, улучшая качество воздуха, ограничивая истощение природных ресурсов и выбросы CO ₂ , не требуя непозволительных усилий и кардинальные изменения.

Взносы авторов

Автор подтверждает, что является единственным соавтором этой работы, и одобрил ее к публикации.

Конфликт интересов

Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

Амброджио, М., Саракко, Г., и Спеккиа, В. (2001). Сочетание фильтрации и каталитического сжигания в уловителях твердых частиц для обработки выхлопных газов дизельных двигателей. Chem. Англ. Sci. 56, 1613–1621. DOI: 10.1016 / S0009-2509 (00) 00389-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ашок Б., Ашок С. Д. и Кумар К. Р. (2015). Дизельный двухтопливный двигатель LPG — критический обзор. Александр. Англ. J. 54, 105–126. DOI: 10.1016 / j.aej.2015.03.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бароне Т. Л., Стори Дж. М. и Доминго Н. (2010). Анализ характеристик отработанного в полевых условиях сажевого фильтра: выбросы твердых частиц до, во время и после регенерации. J. Управление отходами воздуха. Доц. 60, 968–976. DOI: 10.3155 / 1047-3289.60.8.968

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти А. (2011a). Дизельный и HCCI-подобный режим работы двигателя грузовика, преобразованного на водород. Внутр. J. Hydr. Energy 36, 15382–15391. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2011.09.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти А. (2011b). Достижения в двигателях внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия водорода. Внутр. J. Hydr. Энергия 36, 12601–12606. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2011.06.148

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти А. (2011c). Преимущества прямого впрыска дизельного топлива и водорода в двухтопливном h3ICE. Внутр. J. Hydr. Energy 36, 9312–9317. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2011.05.037

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти А. (2013). Рассматриваются новейшие концепции систем сгорания и рекуперации отработанного тепла для водородных двигателей. Внутр. J. Hydr. Энергия 38, 3802–3807. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2013.01.112

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти А. (2017). Будущее двигателей внутреннего сгорания после «Diesel-Gate. Warrendale, PA: SAE Technical Paper 2017-28-1933. DOI: 10.4271 / 2017-28-1933

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти А. (2018). Анализ жизненного цикла Сравнение мобильности на основе электрических двигателей и двигателей внутреннего сгорания .Warrendale, PA: SAE Technical Paper 2018-28-0037. DOI: 10.4271 / 2018-28-0037

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Боретти, А., Кастеллетто, С. (2018). «Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском и супер-турбонаддувом», в Труды Всемирной автомобильной конференции FISITA, 2–5> ОКТЯБРЬ 2018 (Ченнаи).

Google Scholar

Боретти, А., Лаппас, П. (2019). Комплексные независимые лабораторные испытания, подтверждающие экономию топлива и выбросы в реальных условиях вождения. Adv. Technol. Innovat. 4, 59–72.

Google Scholar

Боретти А., Ордис А. (2018). Супер-турбонаддув двухтопливного дизельного двигателя с системой зажигания . Технический документ SAE 2018-28-0036. DOI: 10.4271 / 2018-28-0036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Burtscher, Х. (2005). Физические характеристики выбросов твердых частиц из дизельных двигателей: обзор. J. Aerosol. Sci. 36, 896–932. DOI: 10.1016 / j.jaerosci.2004.12.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камузо, Дж. Р., Альварес, Р. А., Брукс, С. А., Браун, Дж. Б. и Стернер, Т. (2015). Влияние выбросов метана и эффективности транспортных средств на воздействие большегрузных грузовиков, работающих на природном газе, на климат. Environ. Sci. Technol. 49, 6402–6410. DOI: 10.1021 / acs.est.5b00412

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоссьер, Г. П., Малина, Р., Аллрогген, Ф., Истхэм, С. Д., Спет, Р. Л., и Баррет, С. Р. (2018). Атрибуция на уровне страны и производителя воздействия на качество воздуха из-за чрезмерных выбросов NOx от дизельных легковых автомобилей в Европе. Атмос. Environ. 189, 89–97. DOI: 10.1016 / j.atmosenv.2018.06.047

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Крэбтри, Г. В., Дрессельхаус, М. С., и Бьюкенен, М. В. (2004). Водородная экономика. Phys. Сегодня 57, 39–44. DOI: 10.1063 / 1.1878333

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Энджерер, Х., и Хорн, М. (2010). Автомобили, работающие на природном газе: вариант для Европы. Энергетическая политика 38, 1017–1029. DOI: 10.1016 / j.enpol.2009.10.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Faghani, E., Kheirkhah, P., Mabson, C., McTaggart-Cowan, G., et al. (2017a). Влияние стратегий нагнетания на выбросы от экспериментального газового двигателя с прямым впрыском — Часть I: Поздний дополнительный впрыск . Warrendale, PA: SAE Paper 2017-01-0774. DOI: 10.4271 / 2017-01-0774

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фагани, Э., Kheirkhah, P., Mabson, C., McTaggart-Cowan, G., et al. (2017b). Влияние стратегий впрыска на выбросы от экспериментального двигателя прямого впрыска природного газа — Часть II: Горение с небольшим предварительным смешиванием . Варрендейл, Пенсильвания: Технический документ SAE 2017-01-0763. DOI: 10.4271 / 2017-01-0763

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фибиг М., Виарталла А., Холдербаум Б. и Кисоу С. (2014). Выбросы твердых частиц из дизельных двигателей: взаимосвязь между технологией двигателя и выбросами. J. Occup. Med. Toxicol. 9: 6. DOI: 10.1186 / 1745-6673-9-6

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Флореа Р., Нили Г., Абидин З. и Мива Дж. (2016). КПД и характеристики выбросов при сжигании двух видов топлива с частичной предварительной смесью путем совместного впрыска природного газа и дизельного топлива (DI2) . Warrendale, PA: SAE Paper 2016-01-0779. DOI: 10.4271 / 2016-01-0779

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрейманн, Р., Ринглер, Дж., Зайферт, М., и Хорст, Т. (2012). Турбопарогонщик второго поколения. MTZ Worldwide 73, 18–23. DOI: 10.1365 / s38313-012-0138-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фрейманн Р., Штробл В. и Обьегло А. (2008). Турбопарогенератор: система, внедряющая принцип когенерации в автомобильную промышленность. MTZ Worldwide 69, 20–27. DOI: 10.1007 / BF03226909

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуди, Д., Данн, М., Мунши, С. Р., Лайфорд-Пайк, Э., Райт, Дж., Дуггал, В. и др. (2004). Разработка сверхмощного экспериментального двигателя с воспламенением от сжатия, работающего на природном газе, с низким уровнем выбросов NOx (№ 2004-01-2954) . Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2004-01-2954

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хейвуд, Дж. Б. (1988). «Сжигание в двигателях с воспламенением от сжатия», in Internal Combustion Engine Fundamentals (New York, NY: McGraw-Hill), 522–562.

Google Scholar

Хироясу Х. и Кадота Т. (1976). Модели сгорания и образования оксида азота и сажи в дизельных двигателях с прямым впрыском. SAE Trans. 85, 513–526. DOI: 10.4271 / 760129

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Invernizzi, G., Ruprecht, A., Mazza, R., Rossetti, E., Sasco, A., Nardini, S., et al. (2004). Твердые частицы табака по сравнению с выхлопными газами дизельных автомобилей: образовательная перспектива. Tobacco Control 13, 219–221.DOI: 10.1136 / tc.2003.005975

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джаффе, С. (2017). Уязвимые звенья в цепочке поставок литий-ионных аккумуляторов. Джоуль 1, 225–228. DOI: 10.1016 / j.joule.2017.09.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзянь Д., Сяохун Г., Гешэн Л. и Синьтан З. (2001). Исследование двухтопливных двигателей дизель-СНГ (№ 2001-01-3679) . Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2001-01-3679

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джонсон, Т.В. (2009). Обзор дизельных выбросов и контроль. Внутр. J. Eng. Res. 10, 275–285. DOI: 10.1243 / 14680874JER04009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Катурия В. (2004). Воздействие КПГ на загрязнение автотранспортом в Дели: примечание. Транспорт. Res. Часть Д. 9, 409–417. DOI: 10.1016 / j.trd.2004.05.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хайр, М. К., Маевски, В. А. (2006). Выбросы дизельного топлива и их контроль (Vol.303). Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / R-303

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кнехт, В. (2008). Разработка дизельного двигателя с учетом пониженных стандартов выбросов. Energy 33, 264–271. DOI: 10.1016 / j.energy.2007.10.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумар, С., Квон, Х. Т., Чой, К. Х., Лим, В., Чо, Дж. Х., Так, К. и др. (2011). СПГ: экологически чистое криогенное топливо для устойчивого развития. Заявл. Энергия 88, 4264–4273. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2011.06.035

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин, М., и Бернхэм, А. (2016). Пример : региональные грузовые автомобили для перевозки природного газа (№ DOE / CHO-AC02-06Ch21357-1603). Аргонн, Иллинойс; Колумбия, Мэриленд: Энергетика; Аргоннская национальная лаборатория.

Google Scholar

Ли Г., Уэллетт П., Думитреску С. и Хилл П. Г. (1999). Исследование оптимизации прямого впрыска природного газа с пилотным зажиганием в дизельные двигатели .Warrendale, PA: SAE Paper 1999-01-3556. DOI: 10.4271 / 1999-01-3556

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линь В., Чжан Н. и Гу А. (2010). СПГ (сжиженный природный газ): необходимая часть будущей энергетической инфраструктуры Китая. Energy 35, 4383–4391. DOI: 10.1016 / j.energy.2009.04.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mabson, C., Faghani, E., Kheirkhah, P., Kirchen, P., et al. (2016). Горение и выбросы парных сопел в газовом двигателе прямого впрыска с пилотным зажиганием .Warrendale, PA: SAE Paper 2016-01-0807. DOI: 10.4271 / 2016-01-0807

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маджи С., Пал А. и Арора Б. Б. (2008). Использование КПГ и дизельного топлива в двигателях CI в двухтопливном режиме (№ 2008-28-0072). Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2008-28-0072

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Марбан, Г., и Вальдес-Солис, Т. (2007). К водородной экономике? Внутр. J. Hydr. Энергия 32, 1625–1637.DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2006.12.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Марик, М. М. (2007). Химическая характеристика выбросов твердых частиц из дизельных двигателей: обзор. J. Aerosol. Sci. 38, 1079–1118. DOI: 10.1016 / j.jaerosci.2007.08.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартуцци М., Митис Ф., Явароне И. и Серинелли М. (2006). Воздействие PM10 и озона на здоровье в 13 городах Италии . Европейское региональное бюро ВОЗ.

Google Scholar

McKone, T. E., Nazaroff, W. W., Berck, P., Auffhammer, M., Lipman, T., Torn, M. S., et al. (2011). Основные задачи оценки жизненного цикла биотоплива. Environ. Sci. Technol. 45, 1751–1756. DOI: 10.1021 / es103579c

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

McTaggart-Cowan, G., Mann, K., Huang, J., Singh, A., et al. (2015). Прямой впрыск природного газа под давлением до 600 бар в двигатель большой мощности с пилотным зажиганием. SAE Int. J. Eng. 8, 981–996. DOI: 10.4271 / 2015-01-0865

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мор М., Форсс А. М. и Леманн У. (2006). Выбросы твердых частиц от дизельных легковых автомобилей, оборудованных уловителем твердых частиц, по сравнению с другими технологиями. Environ. Sci. Technol. 40, 2375–2383. DOI: 10.1021 / es051440z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Молленхауэр К. и Чёке Х. (ред.). (2010). Справочник по дизельным двигателям, Vol. 1. Берлин: Springer. DOI: 10.1007 / 978-3-540-89083-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мамфорд Д., Гоуди Д. и Сондерс Дж. (2017). Возможности и проблемы HPDI . Warrendale, PA: SAE Paper 2017-01-1928. DOI: 10.4271 / 2017-01-1928

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мурадов Н. З., Везироглу Т. Н. (2005). От углеводородной к водородно-углеродной к водородной экономике. Внутр.J. Hydr. Энергия 30, 225–237. DOI: 10.1016 / j.ijhydene.2004.03.033

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нефт, Дж. П., Макки, М., и Мулиджн, Дж. А. (1996). Контроль выбросов твердых частиц из дизельного топлива. Топливный процесс. Technol. 47, 1–69. DOI: 10.1016 / 0378-3820 (96) 01002-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нефт, Дж. П., Найджуис, Т. X., Смакман, Э., Макки, М., и Мулиджн, Дж. А. (1997). Кинетика окисления дизельной сажи. Топливо 76, 1129–1136. DOI: 10.1016 / S0016-2361 (97) 00119-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нили Г., Флореа Р., Мива Дж. И Абидин З. (2017). Эффективность и характеристики выбросов при сжигании двух видов топлива с частичной предварительной смесью путем совместного прямого впрыска ПГ и дизельного топлива (DI2) — Часть 2 . Warrendale, PA: SAE Paper 2017-01-0766. DOI: 10.4271 / 2017-01-0766

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Осорио-Техада, Дж., Ллера, Э., и Скарпеллини, С. (2015). СПГ: альтернативное топливо для грузовых автомобильных перевозок в Европе. WIT Trans. Встроенная среда. 168, 235–246. DOI: 10.2495 / SD150211

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк Т., Тенг Х., Хантер Г. Л., ван дер Велде Б. и Клавер Дж. (2011). Система цикла Ренкина для рекуперации отработанного тепла дизельных двигателей HD — экспериментальные результаты (№ 2011-01-1337). Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2011-01-1337

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рэмсброк, Дж., Вилимек, Р., Вебер, Дж. (2013). «Изучение удовольствия от вождения на электромобиле — пилотные проекты BMW EV», Международная конференция по взаимодействию человека и компьютера (Берлин; Гейдельберг: Springer), 621–630. DOI: 10.1007 / 978-3-642-39262-7_70

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Решитоглу И. А., Алтинишик К. и Кескин А. (2015). Выбросы загрязняющих веществ от автомобилей с дизельными двигателями и систем нейтрализации выхлопных газов. Clean Technol. Environm. Политика 17, 15–27.DOI: 10.1007 / s10098-014-0793-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рю, К. (2013). Влияние времени предварительного впрыска на характеристики сгорания и выбросов в дизельном двигателе, использующем биодизель-КПГ. Заявл. Энергия 111, 721–730. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2013.05.046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саракко, Г., Руссо, Н., Амброджио, М., Бадини, К., и Спеккиа, В. (2000). Снижение выбросов твердых частиц дизельного топлива с помощью каталитических ловушек. Catal. Сегодня , 60, 33–41. DOI: 10.1016 / S0920-5861 (00) 00314-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шиппер Л., Мари-Лиллиу К. и Фултон Л. (2002). Дизели в Европе: анализ характеристик, моделей использования, экономии энергии и последствий выбросов CO2. J. Transp. Экон. Политика 36, 305–340.

Google Scholar

Шах, А., Типсе, С. С., Тьяги, А., Райрикар, С. Д., Кавтекар, К. П., Марате, Н. В. и др. (2011). Обзор литературы и моделирование двухтопливных дизельных двигателей, работающих на КПГ (№ 2011-26-0001). Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2011-26-0001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ши, Л., Шу, Г., Тиан, Х., и Дэн, С. (2018). Обзор модифицированных органических циклов Ренкина (ORC) для рекуперации отработанного тепла двигателей внутреннего сгорания (ICE-WHR). Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 92, 95–110. DOI: 10.1016 / j.rser.2018.04.023

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит, О.I. (1981). Основы образования сажи в пламени применительно к выбросам твердых частиц дизельных двигателей. Прог. Энергия сгорания. Sci. 7, 275–291. DOI: 10.1016 / 0360-1285 (81)

-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Teng, H., Klaver, J., Park, T., Hunter, G. L., and van der Velde, B. (2011). Система цикла Ренкина для рекуперации отработанного тепла дизельных двигателей высокого давления — разработка системы WHR (№ 2011-01-0311) . Warrendale, PA: SAE Technical Paper.DOI: 10.4271 / 2011-01-0311

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Teng, H., and Regner, G. (2009). Повышение экономии топлива для дизельных двигателей HD с циклом Ренкина, управляемым за счет отвода тепла охладителя EGR (№ 2009-01-2913). Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2009-01-2913

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Teng, H., Regner, G., and Cowland, C. (2007). Рекуперация отходящего тепла дизельных двигателей большой мощности с помощью органического цикла Ренкина, часть I: гибридная энергетическая система дизельного двигателя и двигателя Ренкина (No.2007-01-0537). Warrendale, PA: SAE Technical Paper. DOI: 10.4271 / 2007-01-0537

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Т., Чжан Ю., Чжан Дж., Пэн З. и Шу Г. (2014). Сравнение преимуществ системы и термоэкономики для рекуперации энергии выхлопных газов, применяемых в тяжелых дизельных двигателях и бензиновых двигателях легких транспортных средств. Energy Conv. Управлять. 84, 97–107. DOI: 10.1016 / j.enconman.2014.04.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

А, С.(2007). Эмпирический анализ внедрения транспортных средств, работающих на альтернативном топливе: на примере транспортных средств, работающих на природном газе. Энергетическая политика 35, 5865–5875. DOI: 10.1016 / j.enpol.2007.06.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю., Г., Шу, Г., Тиан, Х., Хо, Ю., и Чжу, В. (2016). Экспериментальные исследования каскадной системы парового / органического цикла Ренкина (RC / ORC) для рекуперации отработанного тепла (WHR) дизельного двигателя. Energy Conv. Управлять. 129, 43–51. DOI: 10.1016 / j.enconman.2016.10.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зервас Э., Пулопулос С. и Филиппопулос К. (2006). CO ₂ Изменение выбросов в результате внедрения легковых автомобилей с дизельным двигателем: пример Греции. Energy 31, 2915–2925. DOI: 10.1016 / j.energy.2005.11.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао, Х. (ред.). (2009). Передовые технологии и разработки двигателей внутреннего сгорания с прямым впрыском топлива: дизельные двигатели .Кембридж: издательство Woodhead Publishing.

Google Scholar

Самые высокие показатели эффективности для экологически чистого газодизельного двигателя

Сейдж Кокджон (слева) и Рольф Райтц проверяют комнату с испытательными мониторами и регуляторами воздуха, подключенными к работающему одноцилиндровому дизельному двигателю, в лаборатории двигателей Caterpillar в Центре инженерных исследований.

Фото: Джефф Миллер

Одноцилиндровый испытательный двигатель в подвале лаборатории Университета Висконсин-Мэдисон подключен к системе жизнеобеспечения, состоящей из труб, труб, каналов и кабелей.Вы могли подумать, что двигатель похож на пациента в реанимации, но в этом случае пациент не болен.

Вместо этого тщательно продуманная система мониторинга показывает, что двигатель может преобразовывать 59,5% химической энергии топлива в движение — значительно лучше, чем максимальный показатель в 52% для современных дизельных двигателей грузовых автомобилей.

Новые двигатели часто разрабатываются в одноцилиндровых двигателях, подобных этому. И после того, как его проверила группа под руководством Рольфа Рейца, профессора машиностроения в UW-Madison, это самый эффективный дизельный двигатель в мире исследования двигателей.

Регуляторы воздуха и контрольные мониторы подключены к двигателю — самому эффективному дизелю в мире исследований двигателей.

Фото: Джефф Миллер

«Этот процесс на 10-15 процентов эффективнее, чем у лучших коммерческих дизельных двигателей, которые являются наиболее эффективными двигателями внутреннего сгорания», — говорит Райтц.

Но тестовый двигатель, строго говоря, не является дизельным двигателем. Вместо этого он сжигает дизельное топливо и бензин в точно контролируемом соотношении, чтобы использовать сильные стороны каждого топлива.Датчики и компьютер могут изменять смесь за доли секунды, создавая двигатель, который работает намного холоднее, чем обычные бензиновые или дизельные двигатели. Это снижение температуры является ключом к эффективности, поскольку меньше тепла теряется в блоке двигателя и радиаторе, говорит Рейтц.

Он называет систему воспламенением от сжатия, управляемую реактивностью, или RCCI. Группа студентов Центра исследования двигателей на территории кампуса только что установила двигатель, использующий эти принципы, в электрическую гибридную версию Saturn 2009 года и приступила к дорожным испытаниям.

«Испытание этого автомобиля было крупным проектом. Удивительно, что группа студентов смогла сделать это и заставить это работать », — говорит Райтц. «Я проработал шесть лет в GM, и для такого проекта потребовались бы сотни инженеров».

«Дорожные испытания

расширят результаты лабораторных исследований», — говорит он, добавив: «Двигатель имеет множество элементов управления, поэтому, когда вы нажимаете на газ, мы автоматически меняем количество дизельного топлива и бензина для оптимизации процесса сгорания. Мы можем смешивать правильную дозировку для каждого цикла.”

Рейц и его команда установили двигатель, использующий те же принципы, в электрический гибрид Saturn 2009 года и начали дорожные испытания.

Фото: Дэвид Тененбаум

В двигателе используются доступные дизельное топливо и бензин, но группа Рейца также экспериментировала с присадками, которые приносят аналогичные преимущества в гораздо меньших количествах. Технология RCCI может использоваться в широком спектре двигателей для автомобилей, тяжелых грузовиков и автобусов, внедорожников, локомотивов, генераторов и даже судов.Технология финансировалась Министерством энергетики и другими организациями. Патенты были переданы Исследовательскому фонду выпускников Висконсина, который занимается лицензированием.

Высокая эффективность — это только одно преимущество системы RCCI. Чтобы обеспечить чистое сгорание топлива, в обычных дизельных двигателях давление впрыскиваемого топлива увеличивается до 3000 раз от атмосферного. Система RCCI, работающая при 300 атмосфер, обеспечивает значительную экономию средств.

При работе обычных бензиновых и дизельных двигателей при высоких температурах образуются оксиды азота — основной источник смога.«При низкой температуре сгорания мы производим незначительное количество оксидов азота», — говорит Райтц. «И если вы можете работать с идеальной смесью топлива и воздуха, у вас не будет участков в камере сгорания, которые производят сажу. Сажа и оксиды азота — две самые большие проблемы для дизельного топлива — устранены ».

В внедорожном грузовике система очистки выхлопных газов, соответствующая действующим стандартам выбросов, стоит столько же, сколько и сам двигатель, — говорит он, поясняя: «Это сложная система, и она должна работать на Аляске и в пустыне.«Большая часть этой системы была бы излишней в системе RCCI.

Просверленные цилиндры в открытом блоке цилиндров показаны в лаборатории двигателей Caterpillar.

Фото: Джефф Миллер

Снижение загрязнения, по сути, стало отправной точкой для открытия RCCI. В 2007 году Райц начал писать компьютерный код для моделирования многих параметров двигателя внутреннего сгорания.

«Вы можете изменить форму камеры сгорания, давление впрыска, количество импульсов, количество топлива в каждом импульсе, ориентацию форсунок и так далее.В результате получается феноменально сложное вычисление », — говорит он. «Чтобы смоделировать процесс сгорания в одном цикле в одном цилиндре на компьютере, требуется день. Мы используем сеть из 4000 компьютеров в кампусе для запуска многих из этих конфигураций ».

Заимствуя технику из биологии, группа Рейца изменяет наиболее эффективные комбинации в постоянном стремлении к совершенствованию. «В конце концов, эволюционирует то, что ваш мозг никогда не сможет осмыслить», — говорит он.

Доказательство того, что отличная идея работает, не гарантирует ее принятия, понимает Рейц, и поэтому он сообщил о результатах 30 членам Консорциума по исследованиям двигателей с прямым впрыском.Он говорит, что продолжающееся давление, направленное на сокращение использования топлива, парниковых газов и других загрязняющих веществ, «может побудить производителей искать альтернативные стратегии сжигания. Мой подход — сделать его как можно более широко известным и посмотреть, куда он пойдет ».

Сейдж Кокджон, доцент кафедры машиностроения, работал в RCCI в качестве аспиранта под руководством Рейца. Он говорит, что, хотя использование двух видов топлива кажется революционным, это продолжение текущих тенденций.

«Мы наблюдаем слияние бензина и дизельного топлива; Бензиновые двигатели теперь имеют более высокую степень сжатия, имеют непосредственный впрыск и часто усиливаются с помощью турбонагнетателя — все методы, которые были связаны с дизельным двигателем.А дизельное топливо начинает использовать более низкую степень сжатия, больше похоже на бензин. Так что я считаю это логичным шагом. Это не большая разница по сравнению с тем, к чему они уже идут ».

По мере проведения дорожных испытаний RCCI Рейц хочет раздвинуть границы эффективности. «Наше исследование продемонстрировало эффективность 59,5% двигателя размером с грузовик. Теоретическая эффективность составляет 64 процента, поэтому мы достигли 95 процентов теоретического максимума », — говорит он. «Но почему там этот теоретический уровень? Что нужно сделать, чтобы сделать его еще выше? »

.

No related posts.