Особенности конструкции парамоторов — SkyMax Paramotors
Парамоторы и аксессуары
Парамоторы и аксессуары
Как известно многим, парамотор Витязь и другие отечественные и иностранные модели такого аппарата, представляют собой совмещение легкого двигателя внутреннего сгорания и параплана. Силовая установка вместе с парапланом крепятся при помощи специальной системы подвески на человеке, после чего он готов взлетать. Двигатель заводится и приводит в действие винт, который и создает подъемную силу.
Современный легкий парамотор способен поднимать в воздух даже 2 человек одновременно, и при этом потреблять минимальное количество топлива. Для обеспечения защиты пилотов от повреждений вращающимся винтом устанавливают специальное ограждение, которое за счет использования тонкотелых труб является достаточно легким и прочным. К основным характеристикам таких устройств относят тягу, надежность и малый вес.
Поскольку тяга во многом зависит от мощности силовой установки и диаметра винта, на парамотор Тандем, который применяется для поднятия в воздух одновременно двух человек, устанавливают винт большого диаметра и соответствующий ему по мощности двигатель. Правда, поскольку парамотор Сова 200 и другие модели являются навесными, то диаметр винта очень редко превышает показатель в 1,2 метра. Поэтому тягу таких аппаратов повышают посредством увеличения мощности двигателя.
Парамоторы чаще всего делаются под определенного человека, для чего подбирают параплан, двигатель, систему навески и другие элементы. Правда, существуют и универсальные модели, такие как парамотор Матрикс или парамотор Скат, которые разработаны с учетом комфортабельности для любителей полетов на парамоторах. Это позволяет летчику приобрести летательный аппарат по более доступной цене, поскольку приобретение готового устройства обходится дешевле сборки индивидуального.
Наш сайт позволяет парамотор купить в готовом виде или приобрести все необходимые элементы для создания эксклюзивной модели. Широчайший ассортимент товаров и деталей, представленных у нас, позволит создать индивидуальное устройство для человека любого телосложения. Все представленные на страницах сайта товары, являются сертифицированными, что гарантирует их высочайшее качество и надежность. Поэтому даже если человеку пришлось приобрести парамотор б/у, наши специалисты смогут обеспечить его всем необходимым для ремонта и модернизации летательного устройства.
Опыт работы, накопленный за годы функционирования предприятия, позволяет нашим специалистам удовлетворять запросы всех заказчиков в кратчайшие сроки и делать это по доступным ценам. Учитывая, насколько сложным является производство парамоторов, предоставление квалифицированных консультаций нашими специалистами является превосходной помощью в создании летательных аппаратов подобного класса даже тем людям, которые в парапланеризме делают первые шаги.
Самый большой двигатель внутреннего сгорания
Начнем с того, что ДВС большого размера с огромной мощностью используются в качестве основной силовой установки на судах. Речь идет о судовых дизельных двигателях. На различных судах можно встретить множество вариантов таких дизелей, однако особого внимания заслуживает двигатель компании Wartsila-Sulzer, а точнее модель RTA96-C.
Сразу отметим, указанный агрегат сегодня по праву можно считать самым большим и самым мощным двигателем в мире, также установка имеет самый большой рабочий объем и размеры двигателя по сравнению со схожими аналогами. Итак, обо всем по порядку.
Содержание статьи
Дизель-гигант: характеристики
Финский производитель Wartsila занимает лидирующие позиции среди компаний, которые специализируются на разработке и выпуске судовых дизелей. Агрегаты обладают высокой единичной мощностью.
Первый двигатель Wartsila — Sulzer с индексом RTA96-C получил 11 цилиндров и появился еще в 90-х годах. ДВС представляет собой двухтактный судовой дизель и был собран на мощностях японской компании Diesel United.
Затем в 2002 году было заявлено о доступности версии с 14 цилиндрами. Добавим, что сегодня компания изготавливает несколько вариантов подобных ДВС. Главным отличием является количество цилиндров, которых может быть от 6 до 14, тогда как общая конструкция практически одинаковая. Примечательно то, что диаметр цилиндра в таком ДВС составляет 960 мм, а ход поршня целых 2.5 метра.Что касается рабочего объема, то показатель зафиксирован на отметке 1820 л. Как правило, указанный дизель с разным количеством цилиндров ставится на большие суда с вместительностью около 8 000 или 10 000 тонн, которые перевозят контейнеры (контейнеровоз). Указанный судовой дизель-генератор является основной силовой установкой, позволяя судну развить скорость в 25 узлов, что составляет чуть более 45 км/ч.
Общая мощность RTA96-C находится на отметке 108920 л.с. при рабочем объёме 25480 литров. Если же рассматривать мощность такого дизеля при пересчете на 1 литр топлива, получается чуть более 4 л.с. на литр горючего. На первый взгляд, это совсем немного. Более того, ни для кого не секрет, что производители автомобильных двигателей уже давно снимают с 1 литра не менее сотни «лошадок».
Такая медленная и спокойная работа агрегата на судне позволяет добиться улучшенного наполнения и вентиляции огромных цилиндров, скорость движения поршня также невелика, однако мотор при этом отличается неплохим КПД. На практике это значит, что расход топлива в этом двигателе во всех режимах составляет 118-126 граммов дизтоплива на 1 л.с. в час. Этот показатель фактически в полтора или даже два раза ниже сравнительно с дизелями на авто.
Кстати, максимальный крутящий момент составляет 7 907 720 Нм при 102 об/мин. Расход горючего зафиксирован на отметке больше 6 283 литров в час. Однако когда такой дизель не нагружен или нагружен только частично, показатель КПД составляет около 50%, а также не сильно снижается и при полной нагрузке.Еще важно учитывать, что судовой дизель получает менее «энергоемкое» топливо, чем автомобильные ДВС. Простыми словами, после сжигания 1 литра очищенной солярки, которую мы привыкли заливать в автомобиль на АЗС, полезной энергии выделится намного больше сравнительно с тяжелым дизтопливом для морских судов.
Также добавим, что модель Wartsila — Sulzer 14RTA96-C (14-цилиндровая версия) имеет вес в 2 тысячи 300 тонн, причем это «чистый» вес, то есть без учета моторного масла и других техжидкостей, которые дополнительно заливаются в агрегат. Только один коленчатый вал этого гиганта весит 300 тонн. В длину установка имеет 26.7 м, а по высоте показатель составляет 13.2 метра.
Особенности конструкции
Если говорить о конструктивных особенностях, примечательно то, что в каждом отдельном цилиндре такого судового дизельного двигателя имеется один большой клапан. Указанный клапан располагается прямо в центре камеры сгорания. Параллельно установлены еще три небольших клапана, которые выполняют функцию форсунок.
Получается, большой клапан выпускной и служит для выпуска отработавших газов из цилиндра, а через меньшие по размеру клапаны поступает солярка. Через выпускные клапаны отработавшие газы из всех цилиндров попадают в выпускной коллектор, затем поступают в 4 турбокомпрессора.
Компрессоры нагнетают воздух, пропуская его через охладители, к специальным «окнам», которые выполнены внизу цилиндра. Эти окна открываются в тот момент, когда поршень доходит до НМТ (нижняя мертвая точка) и пропускают воздух. Еще для передачи усилия от поршня на коленвал используется специальный (крейцкопфный) механизм. Данное решение позволяет продлить срок службы подобного ДВС и увеличить его ресурс, а также снизить вес агрегата. Такой подход полностью оправдан с учетом особенности воспламенения топлива в дизеле, высоких нагрузок на дизельный двигатель, вибронагруженности установки и необходимости обеспечить максимальную долговечность. Все детали, из которых изготовлен самый большой двигатель, выполнены с использованием проверенных и прочных металлов. Традиционными решениями выступают чугун и сталь.Что в итоге
Напоследок добавим, несмотря на большой успех в области производства сверхмощных судовых дизелей, инженеры компании Wartsila и далее не намерены останавливаться на достигнутом результате.
Доказательством служит информация о том, что ведутся работы над созданием еще более мощных судовых двигателей внутреннего сгорания. Например, уже обнародованы заявления о разработке судового дизеля с 18 цилиндрами.
Это значит, что в скором времени на фоне уже имеющихся в линейке дизель-генераторов появится еще более мощный ДВС с впечатляющими габаритами и характеристиками. Другими словами, скоро очередной самый большой двигатель в мире будет сдан в эксплуатацию.
Читайте также
Электромобили Hyundai и Kia: Езда без выхлопа
Электромобили постепенно набирают популярность в мире. По прогнозу Bloomberg New Energy Finance, к 2040 г. доля электромобилей (EV), включая подзаряжаемые гибриды (PHEV), достигнет 35% от всех проданных в мире легковых машин. По данным EV-volumes.com, в 2018 г. было реализовано 2,1 млн электромобилей (рост на 64%) и к концу года на них пришлось 3,8% всех продаж. В мире появилось уже несколько моделей по приемлемой цене и с запасом хода, сопоставимым с бензиновыми аналогами в классе. На подходе в ближайшие год-два несколько десятков моделей от мировых лидеров.
В России рынок электромобилей пока микроскопический: в прошлом году продано 144 новых EV, а весь их парк составил 3600 шт.
Конструктивные особенности
Электромобили по конструкции делятся на два типа. Первые – с аккумуляторной батареей большой емкости (Battery electric vehicle, BEV), которая заряжается от бытовой электросети или специальной зарядной станции. Дополнительно в них может устанавливаться генератор на базе небольшого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для подзарядки аккумулятора во время движения как резервный источник питания на случай отсутствия поблизости электросети. Они отличаются от подзаряжаемых гибридов PHEV, в которых тоже есть ДВС, тем, что термический двигатель не соединяется механически с колесами, а от последовательных гибридов (где также нет прямой связи ДВС с колесами) тем, что ДВС не предусмотрен как обязательный элемент конструкции, т. е. может не устанавливаться.
Второй тип EV – с химическим генератором на водороде (топливными ячейками, FCEV), который питает тяговый электромотор (или электромоторы). В FCEV также есть батарея, но сравнительно небольшой емкости для сглаживания работы силовой установки и сбора энергии при торможении двигателем – рекуперации. Такие машины заправляют топливный бак (их может быть несколько) жидким водородом под высоким давлением на специальных заправках, водород на заправки пока завозится с промышленных производств. Но уже начинают появляться автономные установки для производства водорода путем электролиза из воды с помощью солнечной энергии – такую создала недавно Toyota Motor для снабжения своих FCEV-погрузчиков на заводе Мотомачи.
Устойчивые, но коварные
Из-за особенностей конструкции электромобилей их ходовые качества и управляемость отличаются от тех, к которым мы привыкли в автомобилях с ДВС. Аккумуляторная батарея, которую конструкторы предпочитают располагать в полу под пассажирским салоном, дает электромобилю необычно низкий для гражданской машины центр тяжести. Например, субкомпактный кроссовер Hyundai Kona Electric, с которым я познакомился на полигоне под Веной, обладает достаточно большим дорожным просветом (158 мм), который не лучший помощник в скоростном маневрировании для автомобиля снаряженной массой в 1,5 т. Но из этого веса 450 кг занимают аккумуляторные батареи, размещенные в полу. Они существенно снижают центр тяжести кроссовера, делают его более устойчивым в поворотах. Подвеска в электрической версии Kona точно такая же, как у Kona с ДВС (спереди – MacPherson, сзади – независимая многорычажная), но с более жесткими пружинами и настройками (в том числе из-за увеличившейся массы машины). Поэтому в поворотах Kona Electric показывала, что скорее соскользнет с траектории, чем даст серьезный крен. И особенно эта тенденция обострялась в дождь на мокром покрытии.
На юге Франции мне удалось протестировать электрический кроссовер Kia e-Niro – он примерно на 200 кг тяжелее гибридных версий модели Niro, с которой у него общие шасси и кузов. E-Niro едет плавно, тоже с очень маленькими кренами, и бесшумно, управляется легко, разгоняется бодро — 7,8 с до 100 км/ч.
Вторая особенность EV – высокий крутящий момент электродвигателя, который доступен уже с самых низких оборотов. Его коварство я смог ощутить в переднеприводном Kona Electric на австрийском полигоне. Трасса – связка скоростных и медленных поворотов с крутыми подъемами и спусками – была скользкой после дождя. Наиболее мощная 150-киловаттная версия Kona Electric (крутящий момент – солидные 395 Нм) тяжелее самой простой Kona с ДВС на 150 кг (за счет аккумулятора), т. е. сцепление колес с дорогой должно быть выше. Но в крутом левом вираже я с непривычки чуть сильнее нажал на газ, и передние ведущие колеса на мокром асфальте моментально сорвались в пробуксовку, снося автомобиль наружу виража. Выручила хорошая информативность руля, быстро давшего знать, что с траекторией движения что-то не так, и я успел еще до срабатывания ESP принять меры. Разгоняется с места до 100 км/ч Konа зa 7,6 с, но на мокром асфальте первые метры тяжело удержать колеса от пробуксовки.
Управляя Kona и e-Niro, я вспоминал Opel Ampera-e (его американский аналог называется Chevrolet Bolt), с которым я познакомился в Осло за два года до этого – еще когда Opel был частью General Motors. С тех пор пути компаний разошлись, но Ampera-e по-прежнему продается в ФРГ. Хетчбэк Ampera-e одним из первых предложил альтернативу Tesla Model S по запасу хода – 500 км на электротяге, при этом по в 3 раза меньшей цене. Под капотом у Ampera-e схожий с корейскими электрокарами по мощности мотор (204 л. с.) и с таким же по емкости и расположенным в полу блоком аккумуляторов – 60 кВт ч, весом 435 кг, с запасом хода 520 км (по европейскому циклу NEDC). И на ходу он был очень похож на корейские машины.
Передвижной источник воды
Машины на топливных элементах стоят дороже электромобилей (от 60 000 евро), но с потребительской точки зрения выглядят привлекательнее, хотя бы потому, что нет необходимости тратить время на подзарядку – время заправки водородом не более, чем у обычных машин с ДВС.
Процесс, происходящий внутри FCEV, объяснить просто: поступающий воздух (кислород) через передние воздухозаборники (оттого они такие большие) смешивается с водородом в топливных элементах, полученная в результате реакции электроэнергия питает электромотор. Продуктом химической реакции является вода, которая выделяется в качестве выхлопа, и очищенный воздух, прошедший через фильтры и химическую систему машины. Вода чистейшая – в ходе теста водородного электромобиля Toyota Mirai, который проходил несколько лет назад в Дании, мне пришлось выпить несколько стаканов из «выхлопной трубы» и никаких проблем с самочувствием у меня после этого не было.
На водительском сиденье Mirai меня не покидало ощущение рулевого яхты, плывущей по асфальту – плавно и тихо, слышен только шум ветра. В управлении Mirai тоже – корабль, рулевую систему трудно назвать острой и информативной, и это очень заметно на виражах, особенно на круговых движениях, а перед поворотом желательно тормозить заранее, с запасом. Система стабилизации Mirai срабатывала мгновенно – водородная «яхта» не любит активный драйв. Разгон до 100 км/ч – 9,6 с, а скоростной потолок – 180 км/ч.
Кроссовер с водородным питанием Hyundai Nexo, на котором я недавно ездил в Австрии, в отличие от Mirai управляется как привычный нам автомобиль, едет легко и прилично рулится. Но при том что Nexo (с 163-сильным электромотором) почти равен по снаряженной массе (1814–1873 кг) Mirai, в сравнении с японским автомобилем потреблял водорода почти в 2 раза больше – 1,6 кг на 100 км при примерно той же средней скорости, да еще и в режиме Eco. Это никак не объяснить, кроме как причудливыми, но эффективными с точки зрения аэродинамики формами Toyota Mirai.
Распугивающий эффект
У электромобилей есть интересная особенность – возможность использовать рекуперативное торможение двигателем, в процессе которого подзаряжается батарея.
Я хорошо распробовал разные режимы рекуперации, когда ехал по французской автостраде на Kia e-Niro. В электрокроссовере четыре режима рекуперации: в самом активном, вызывающем эффективное замедление (считай – торможение), уровень перегрузок 0,23g. Управлять рекуперацией нужно клавишами на руле – левая повышает уровень рекуперации, правая – понижает, т. е. снижает тормозящий эффект. Этот процесс быстро превращается в игру, словно в руках джойстик от PlayStation.
Но проблема в том, что при каждом нажатии левой клавиши срабатывают стоп-сигналы, и, глядя в зеркало заднего вида, я заметил, что машины, следующие за мной, быстро меняют полосу движения, не понимая, зачем я так часто и хаотически «жму тормоз». Рекуперацией оказалось полезней и эффективней пользоваться в городе – можно ехать, вообще не дотрагиваясь до педали тормоза. В таком стиле езды расход упал с 19 до 16,5 кВт ч на 100 км. Стартовал я с запасом хода в 412 км, приехал с остатком 289 км, пробег по одометру – 132 км, т. е. рекуперацией я накопил энергию еще на 9 км пути.
Колени на уровне ушей
Водительские места EV мало отличаются от привычного автомобиля, разве что больше цифровых экранов и органы управления трансмиссией – кнопки и джойстики – вынесены на необычные места или специальные панели.
Только в Hyundai Nexo мне удалось разместиться удобно сзади, пересев за собой: колени не торчали «на уровне ушей», потому что под полом в ногах задних пассажиров нет ни топливных элементов, ни батарей. В Hyundai Kona Electric на втором ряду умеренно тесно с моими 192 см роста. Объем багажника – 332 л. Kia e-Niro, если не считать высокого пола, довольно просторный в салоне и с хорошим багажником – 451 л.
Ни Hyundai, ни Kia свои электрические новинки импортировать в Россию – как минимум в этом году – не собираются. «При текущем курсе рубля, состоянии зарядной инфраструктуры и отсутствия льгот на покупку и эксплуатацию гибридных и полностью электрических автомобилей (в частности, e-Niro) они остаются прерогативой премиум-сегмента, а наша компания все-таки ориентирована на запросы массового потребителя», – прокомментировал это решение представитель Kia.
Роторный двигатель. Устройство, принцип работы. Плюсы и минусы ротора.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания дало толчок к производству автомобилей, передвигающихся на жидком виде топлива. Двигатели эти на протяжении всей истории автомобилестроения эволюционировали: появлялись различные конструкции моторов. Одной из прогрессивных, но так и не получивших распространение конструкций двигателей стал роторно-поршневой агрегат. Об особенностях этого типа двигателя, его достоинствах и недостатках мы поговорим в сегодняшнем материале.
История
Разработчиком роторно-поршневого двигателя стал дуэт инженеров компании NSU – Феликс Ванкель и Вальтер Фройде. И хотя основная роль в создании роторного двигателя принадлежит именно Фройде (второй участник проекта в это время работал над конструкцией иного двигателя), в автомобильной среде силовой агрегат известен как мотор Ванкеля.
Феликс Ванкель и роторный двигательЭта силовая установка была собрана и испытана в 1957 году. Первым автомобилем, на который установили роторно-поршневой двигатель, стал спорткар NSU Spider, который развивал скорость 150 км/час при мощности мотора 57 лошадиных сил. Производилась эта модель на протяжении трех лет (1964-1967 годы).
NSU SpiderПо настоящему массовым автомобилем с роторным двигателем стало второе детище компании NSU – седан Ro-80.
NSU Ro-80В названии автомобиля указывалось, что модель оснащается роторным агрегатом. Впоследствии роторные двигатели устанавливались на автомобили Citroen (GS Birotor), Mercedes-Benz (С111), Chevrolet (Corvette), ВАЗ (21018) и так далее. Но самый массовый выпуск моделей с роторным двигателем был налажен японской компанией Mazda. Начиная с 1964 года, компания произвела несколько автомобилей с подобным типом силовой установки, а пионером в этом деле стала модель Cosmo Sport. Самая известная модель с роторно-поршневым двигателем, которая выпускалась этим производителем – RX (Rotor-eXperiment). Производство последней модели из этого семейства, Mazda RX8 в специальной версии Spirit R, было свернуто в середине 2012 года. Впрочем, не все экземпляры роторной «восьмерки» еще распроданы – официальный дилер Mazda в Индонезии еще продает эти автомобили.
Устройство
Особенностью роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания стало присутствие в его конструкции трехгранного ротора – поршня. Он вращается в цилиндре, который имеет специальную форму. Ротор насажен на вал, и соединен с зубчатым колесом, которое, в свою очередь, имеет сцепление со статором – шестерней. Ротор вращается вокруг статора по так называемой эпитрохоидальной кривой, его лопасти попеременно перекрывают камеры цилиндра, в которых происходит сгорание топлива.
Роторный двигательВ конструкции роторного двигателя отсутствует газораспределительный механизм – его функцию выполняет сам ротор, который при помощи своих лопастей распределяет поступающую горючую смесь и выпускает отработанные в цилиндре газы. Подобная конструкция двигателя позволяет обойтись без множества узлов, крайне необходимых для простого поршневого двигателя (например, коленчатый вал, шатуны), что, во-первых, позволяет уменьшить размер и массу силового агрегата, а во-вторых – уменьшить стоимость его производства.
Достоинства и недостатки
Роторно-поршневой двигатель не зря привлек внимание многих именитых автомобильных компаний. Его конструкция и принцип действия позволяли получить несколько довольно весомых преимуществ перед обычными двигателями.
Во-первых, роторно-поршневой мотор в силу своей конструкции обладал лучшей среди остальных типов силовых установок сбалансированностью, и был подвержен минимальным вибрациям.
Во-вторых, у этой силовой установки отмечались отменные динамические характеристики: без существенной нагрузки на двигатель, авто с роторно-поршневым мотором легко можно разогнать до 100 км/час и более на низкой передаче при высоких оборотах двигателя.
роторный двигатель Мазда RX-8В-третьих, роторный двигатель компактнее и легче, чем стандартный поршневой силовой агрегат. Эта особенность позволяла конструкторам добиться практически идеальной развесовки по осям, что влияло на устойчивость автомобиля на дороге.
В-четвертых, в нем используется намного меньшее количество узлов и агрегатов, чем в обычном двигателе.
Наконец, в-пятых, роторный двигатель обладает высокой удельной мощностью.
Недостатки
К минусам роторно-поршневого двигателя, из-за которых он так и не смог получить массового применения и не используется сегодня в автомобилях всех брендов, относится, во-первых, большой расход топлива на низких оборотах. На некоторых моделях он достигает 20 литров на 100 км пробега, что, согласитесь, совсем не экономично и бьет по карману владельца авто с роторным двигателем.
Во-вторых, недостатком этого типа двигателей является сложность изготовления его деталей: чтобы ротор правильно прошел эпитрохоидальную кривую, необходима высокая геометрическая точность при создании как самого ротора, так и цилиндра. Для этого производители роторных двигателей используют высокоточное и дорогостоящее оборудование, а стоимость производства закладывают в цену автомобиля.
В-третьих, роторный двигатель склонен к перегреву из-за особенности конструкции камеры сгорания: она имеет линзовидную форму, а не сферическую, как у обычных поршневых моторов. Топливная смесь, сгорая в такой камере, превращается в тепловую энергию, которая расходуется в большей части неэффективно – ее избыток нагревает цилиндр, что в конечном итоге приводит к износу и выходу его из строя.
В-четвертых, высокий износ уплотнителей между форсунками ротора из-за перепадов давления в камерах сгорания двигателя. Именно поэтому ресурс таких двигателей составляет 100-150 тысяч км, после чего, как правило, требуется капитальный ремонт силового агрегата.
В-пятых, роторно-поршневой двигатель нуждается в своевременной и четко соблюдаемой процедуре смены моторного масла: мотор потребляет примерно 600 мл моторного масла на 1000 км, так что менять его приходится раз в 5000 км пробега. Если его вовремя не заменить, это чревато выходом из строя узлов и агрегатов мотора, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт. То есть, к эксплуатации и обслуживанию роторно-поршневых двигателей следует подходить более ответственно, чем к обслуживанию обычных моторов, вовремя проводя их техническое обслуживание и капитальный ремонт.
Длинноходные и короткоходные моторы – в чем разница, и какие лучше?
Средняя скорость, и какой она бывает
Для понимания вопроса придется вспомнить немного о конструкции ДВС и принципах его работы. Вы наверняка знаете, что в основе любой конструкции двигателя внутреннего сгорания лежит воздействие расширяющихся газов на поршень. Поршни могут быть любой формы и размеров, но у любого поршня есть такой параметр, как средняя скорость, и от нее зависит очень и очень многое.
Средняя скорость поршня – это величина, которую можно определить по формуле Vp = Sn/30, где S – ход поршня, м; n – частота вращения, мин-1. И именно она определяет степень возможного форсирования двигателя по оборотам, ускорения элементов шатунно-поршневой группы во время работы, а также его механический КПД.
От средней скорости поршня зависят нагрузки на стенку поршня, на поршневой палец, шатун и коленвал. Причем зависимость эта квадратичная: с увеличением скорости (Vp) в два раза нагрузки увеличиваются в четыре раза, а если в три – то в девять раз.
Эксперименты инженеров-мотористов уже очень давно доказали, что классическая конструкция шатунно-поршневой группы выдерживает максимальную скорость порядка 17-23 м/с. И чем выше эта величина, тем скорее изнашивается мотор. Увеличить скорость поршня практически невозможно – самые облегченные гоночные двигатели Формулы-1 имели скорость порядка 23-25 м/с, и это безумно много. Этого удалось достичь только потому, что «формульные» моторы рассчитаны на очень короткую эксплуатацию – от них не требуется «ходить» по 100 000 км.
От теории – к практике. Как известно, мощность мотора – это производная от крутящего момента, помноженного на обороты (об этом я писал большую статью с таблицами и графиками). То есть, если мы хотим получить больше мощности, то надо увеличивать обороты. А так как скорость поршня ограничена, то у нас не остается другого выбора, кроме как уменьшить его ход. Чем меньше расстояние нужно пройти поршню за один оборот, тем меньше может быть его скорость.
Короткоходные, длинноходные и «квадратные» моторы
Казалось бы, выше мы только что озвучили два прекрасных аргумента для максимального уменьшения хода поршня. К тому же, чем меньше ход поршня, тем больше диаметр цилиндра при том же объеме, и тем более крупные клапаны можно поставить. Улучшается газообмен, а значит, и работа мотора в целом… Но, как оказалось, безмерно уменьшать ход тоже нельзя.
Чем меньше ход, тем больше должен быть диаметр цилиндра, если мы хотим сохранить объем. А вот форма камеры сгорания с ростом диаметра цилиндра ухудшается, соотношение объема камеры и площади неизбежно растет, увеличивается коэффициент остаточных газов, возрастают тепловые потери, ухудшается сгорание топлива… КПД падает, склонность к детонации повышается, ухудшаются экономичность и экологичность.
При уменьшении хода поршня снижается, к тому же, и диаметр кривошипа коленчатого вала, а значит, уменьшается крутящий момент мотора. Ухудшаются и массогабаритные параметры двигателей – они становятся куда крупнее в горизонтальном сечении. К тому же для сохранения рабочего объема приходится увеличивать число цилиндров, а это уже ведет к резкому повышению сложности конструкции. В общем, нужен был компромисс.
Основные задачи проектирования моторов решили к 60-м годам прошлого века, тогда же нащупали пределы прочности конструкции по средней скорости поршня. Стало ясно, что оптимальные параметры мощности, общего КПД и габаритов у атмосферного мотора получаются в том случае, если диаметр цилиндра равен ходу поршня или чуть меньше.
На фото: двигатель Nissan QashqaiЕсли они совпадают, то такие моторы еще называют «квадратными». Моторы, у которых диаметр цилиндра все-таки больше хода поршня, называют короткоходными, а те, у которых он меньше, – длинноходными.
Внимательный читатель скажет: стоп, а откуда вообще взялись короткоходные моторы, если эксперименты доказали, что эффективнее всего «квадратные» или чуть-чуть длинноходные?! Все просто: короткоходники получили распространение в автоспорте. Там расход топлива и приемистость на низких оборотах не сильно «делали погоду», и можно было пожертвовать КПД ради достижения большей мощности на высоких оборотах при сохранении малого рабочего объема.
Для получения лучшей топливной экономичности, тяги и чистоты выхлопа, наоборот, ход поршня увеличивали, жертвуя оборотами и максимальной мощностью. Длинноходные моторы применяли там, где были нужны тяга и экономичность.
Тем временем, к 80-м годам среднюю скорость поршня в серийных моторах довели до предела в 18 м/с, дальше ее увеличивать не получалось. Такая ситуация сохранилась до 90-х, когда требования к массогабаритным и экономическим характеристикам моторов резко возросли.
Длинноходный прогресс
90-е годы – это в первую очередь массовое внедрение новых экологических норм, резкое повышение массы кузова автомобилей из-за новых требований по пассивной безопасности, а заодно и возросшие требования к габаритам и экономичности силовых агрегатов. Машины становились просторнее изнутри и безопаснее во всех смыслах.
А двигателям приходилось поспевать за прогрессом. Массовый переход на многоклапанные головки блоков цилиндров повысил мощность и сделал моторы чище. Средний рабочий объем мотора постарались уменьшить и тем самым выиграть в расходе топлива и габаритах. Прогресс в области конструирования поршневой группы позволил уменьшить высоту поршня и увеличить длину шатуна, сделав больше механический КПД мотора.
Следовательно, стало возможно перейти к более длинноходным конструкциям, которые при том же рабочем объеме были компактнее, имели больший крутящий момент и к тому же стали экономичнее. Облегчение поршневой группы позволило снизить нагрузки на нее при высоких оборотах, а массовое внедрение турбонаддува и регулируемого впуска – еще и выиграть в максимальной мощности и тяге. Умеренно длинноходные моторы от этого только выиграли.
В 2000-е в стане двигателей объемом от 2 литров наметился перелом в переходе от «квадратов» к длинноходным конструкциям. И вот вам несколько примеров. При рабочем объеме 2 литра моторы VW серии ЕА888 (стоят на множестве моделей концерна от Skoda Octavia до Audi A5) имеют ход поршня 92,8 мм при диаметре цилиндра 82,5, а 2-литровые моторы Renault серии F4R (более всего известный по Duster) – 93 мм и 82,7 соответственно. Моторы Toyota объемом 1,8 л серии 1ZZ (Corolla, Avensis и др.) – еще более длинноходные, их размерность 91,5х79.
На фото: двигатель Volkswagen Golf GTIРабочие обороты таких двигателей заметно уменьшились, особенно у турбонаддувных, снизились и обороты максимальной мощности. А значит и снижение механического КПД уже не столь важно, зато преимущества налицо. По габаритам моторы лишь немного больше «классических» 1,6 из недавнего прошлого, а по тяге и расходу топлива намного превосходят однообъемных предшественников.
В современных моторах пытаются сочетать высокую эффективность работы длинноходных моторов и повышенный механический КПД короткоходных. Так, в ультрасовременном (но тем не менее уже снимаемом с производства) моторе BMW серии N20В20 (стоят на 1-й, 3-й, 5-й сериях, X1 и X3) применяется несимметричная поршневая группа, в которой ось коленчатого вала и ось поршневых пальцев смещены относительно оси цилиндров. Тут используются регулируемый маслонасос, плазменное напыление цилиндров, бездроссельный впуск и прочие технические «фокусы» для снижения механических потерь и сопротивления впуска. Размерность этого длинноходного мотора 90,1х84, и никто не скажет, что у него плохие характеристики хоть в чем-то, кроме надежности.
Дизели
Дизельные моторы, которые в силу особенностей рабочего цикла обычно являются длинноходными и низкооборотными, выиграли вдвойне. Внедрение турбонаддува резко подняло крутящий момент и позволило снизить степень сжатия, а прогресс топливной аппаратуры и поршневой группы – еще и увеличить рабочие обороты.
На фото: двигатель Volkswagen Golf TDIВ итоге дизели превзошли по литровой мощности атмосферные бензиновые моторы, а по крутящему моменту – бензиновые моторы с наддувом. Так, двигатели серии N57 (3-я, 5-я, 7-я серии, X3, X5 и др.) от BMW при диаметре цилиндра 84 мм и ходе поршня 90 мм имеют рабочий объем 2,993 литра, мощность до 381 л. с. и 740 Нм крутящего момента. Средняя скорость поршня при этом – 13,2 метра в секунду.
Оборотная сторона
Конечно же, беспроигрышных лотерей не бывает, и чудесной высокой отдачи добились ценой надежности – тут нет никакого секрета. Старый принцип актуален и поныне: у «сильно длинноходных» моторов высокая средняя скорость поршня увеличивает нагрузку на стенки цилиндра.
Конечно же, материалы становятся лучше, но при сравнении двигателей одной серии с разными параметрами хода поршня и диаметра цилиндра заметно, что длинноходные модели более склонны к износу поршневых колец и задирам цилиндров. И ресурс поршневой у них оказывается существенно ниже, чем у более «квадратных» собратьев.
А вот при сравнении разных моторов все далеко не так однозначно. На моторах с алюминиевым блоком и алюсиловым покрытием стараются снизить нагрузку на стенку цилиндра в том числе и снижением хода поршня, но, как правило, все равно ресурс получается меньше, чем у моторов с чугунными гильзами или блоком.
Мотор Renault-Nissan серии M4R (Qashqai, Fluence и др.), который пришел на смену уже упомянутому чугунному F4R, имеет ход поршня 90,1 мм при диаметре цилиндра 84 – он все еще длинноходный, но ход поршня значительно сократился. Габариты при этом не увеличиваются за счет более тонкостенной конструкции блока цилиндров.
На фото: двигатель Renault LatitudeСовременные двигатели не нуждаются в высоких оборотах для достижения высокой мощности, а экономичность и экологичность становятся все важнее. Пусть даже в реальной эксплуатации заявленные характеристики и не подтверждаются… К тому же, можно путем усложнения конструкции обойти множество ограничений, которые десятки лет заставляли делать выбор между мощностью и экономичностью моторов.
Короткоходные «крутильные» моторы просто вымирают, им нет места в новом мире. Даже в Формуле-1 отказались от экстремальных конструкций с рабочими оборотами за 19 тысяч и соотношением диаметра цилиндра и хода поршня больше 2,4 к 1. Конечно, для фанатов и гоночных серий выпуск подобной техники сохранится, но в практическом плане смысла в ней уже нет. Победа длинноходных конструкций, за редким исключением, фактически состоялась.
Одним из немногих «оплотов короткоходности» до недавнего времени оставались атмосферные V6 и V8 от Mercedes-Benz. Так, моторы серии М272 (E-Klasse W211, M-Class W164 и др.) – откровенно короткоходные во всех вариантах исполнения. Например, у 3-литровой версии соотношение хода к диаметру будет 82,1 к 88. Как и их предки в лице М104, так и их наследники вплоть до М276, они были олицетворением успешных короткоходных моторов. Компания не стремилась к излишней компактности моторов, места было достаточно, а момента у двигателей объемом 3-3,5 литра и так хватало с запасом. Городить длинноходную конструкцию не было смысла.
Но новое поколение двигателей AMG серий М133/М176 с наддувом стали длинноходными – 83х92 мм, как и перспективная рядная шестерка 3,0 с наддувом серии М256 – 83х92,4 мм.
На фото: двигатель Mercedes-AMG CLA 45 4MATICИз «могикан» остаются разве что моторы GM, их блок V8 6,2 Vortec/L86/LT1 все еще не стремится к компактности, имея размерность 103,25х92 мм, и даже компрессорная версия LT4 сохраняет ту же размерность блока. Но это, скорее всего, тоже ненадолго.
Конец спорам
Даунсайз, наддув, непосредственный впрыск, гладкая моментная характеристика, высокий крутящий момент, регулируемый ГРМ и продвинутые трансмиссии сотворили маленькое чудо. Споры «длинноходный или короткоходный» уже более не актуальны.
Моторы вдруг прибавили в литровой мощности до границ, ранее считавшихся возможными только для специально подготовленных гоночных моторов. Увидев цифры в 120-150 л. с. с литра объема, мы уже не удивляемся, и даже 200 л. с. на литр кажутся вполне реальными, а «смешной» паспортный расход топлива для мощной и тяжелой машины кажется вполне реальным. Дизельные двигатели из «гадких утят» превратились в прекрасных лебедей с литровой мощностью даже большей, чем у бензиновых двигателей.
Во многом все это, плюс уменьшение габаритов и веса моторов, стало возможным благодаря длинноходной конструкции. Окончательно оформившийся тренд вряд ли переломится, особенно с учетом прогнозируемого вытеснения ДВС электромоторами и разнообразными «удлинителями дистанции».
Перспективные направления развития двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»
Секция механики
УДК 502.629
Д.И. Диденко, В.И. Бутенко, А.А. Кривицкий
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), как известно, являются одним из основных источников загрязнения окружающей среды. В целом по России выбросы вредных веществ от ДВС уже в начале 90-х годов прошлого столетия составляли более 20 млн т в год. С ростом числа автомобилей, который наблюдается в последнее время и который ожидается в ближайшие годы, объем вредных выбросов может существенно возрасти. С учетом этого проблема уменьшения токсичности выхлопных газов становится чрезвычайно актуальной. Одним из направлений борьбы с негативным экологическим воздействием ДВС на окружающую среду являются их новые конструктивные и схемные решения. Перспективным направлением может быть роторный двигатель, в котором энергия сгорающих газов преобразуется в механическую с помощью ротора, совершающего вращательное движение относительно корпуса.
Так, конструкция роторного двигателя, пат. №2260130, 10.09.05, позволяет уменьшить расход топлива и массы выбросов вредных веществ с отработавшими газами путем стабилизации изохорного характера процесса горения как наиболее предпочтительного с точки зрения желаемых химических реакций. Позволяет осуществлять только рабочие ходы, а всасывание воздуха и его сжатие производятся отдельным компрессором. Предлагаемая схема обещает существенное повышение экономичности двигателя и его экологической безопасности, и поэтому она заслуживает более подробного рассмотрения. Таким образом, в роторном двигателе возможны те же рабочие процессы, которые характерны для поршневых. Особенности конструкции и работы разработанного двигателя заключаются в том, что качающиеся заслонки, размещенные в корпусе двигателя, оснащены шарнирами, посредством которых осуществляется сопряжение заслонок с роторами в процессе его вращения. Дополнительный внешний эксцентрик, закрепленный на рабочем валу, позволяет осуществлять регулировку зазоров между шарнирами качающихся заслонок и роторами за пределами камер сгорания.
Т аким образом, можно сделать следующие выводы; предлагаемый двигатель при большом крутящем моменте сжигает топливо более полно, и это делает его более эффективным и чистым. Вредные выхлопы диоксида азота, например, оцениваются в сотни раз меньше, чем у поршневого двигателя. Одним из самых значительных преимуществ данной конструкции является отсутствие вибрации. Повышаются динамические характеристики и коэффициент приспособляемости двигателя к крутящему моменту кТ = Тшах/ ТР . Может использоваться жидкое и
газообразное топливо. Компактный дизайн двигателя уменьшают размеры и вес. А малое количество деталей может снизить затраты на техническое обслуживание и повысить надежность.
Что обходится дороже: ремонт электромобилей или машин с ДВС? | Анализ событий в политической жизни и обществе Германии | DW
В Германии стремительно растут продажи автомобилей с альтернативными двигателями, главным образом плагин-гибридов и электромобилей. Пока они стоят существенно дороже традиционных легковых машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), но в ФРГ покупатели получают субсидии от государства и производителей на покупку авто с электромоторами. К тому же считается, что они выгоднее в эксплуатации, особенно при высоких ценах на горючее и смазочные материалы.
А что с ремонтом таких авто? Что выгоднее чинить: электромобили или машины с ДВС? И какие из них чаще возгораются? Такими вопросами задался немецкий концерн Allianz. Интерес страхового гиганта к этой теме очевиден: ему необходимо правильно рассчитывать риски и, соответственно, стоимость своих услуг для автовладельцев.
Электромобили: особые нормы техники безопасности и требования производителей
В конце сентября инженерно-технический центр концерна в Исманинге под Мюнхеном (Allianz Zentrum für Technik, AZT) представил на конференции специалистов исследование расходов на ремонт подзаряжаемых гибридных и полностью электрических автомобилей. В нем использовалась статистика 2018-2020 годов.
Для электромобилей особенно опасно повреждение днища, ведь замена батареи стоит очень дорого
Главный вывод: в Германии ремонт электромобилей обходится дороже — примерно на 30% в случае столкновения машин, причем наиболее накладной оказывается починка плагин-гибридов. Поэтому и полисы «каско» стоят несколько больше, чем при страховании автомобилей с ДВС.
Более высокая стоимость ремонта обусловлена не только особенностями конструкции электромобилей (так, аккумуляторной батарее, ключевому элементу таких машин, требуется усиленная защита на случай аварии), но и специфическими нормами техники безопасности и требованиями производителей. Некоторые из них, к примеру, настаивают на замене батареи в случае, если сработала подушка безопасности. Это дорогостоящая операция может сделать экономически бессмысленным ремонт поврежденной машины.
Аккумуляторные батареи и кабели порождают основные проблемы
Другой пример: если электромобиль после аварии больше не на ходу, а в аккумуляторной батарее по-прежнему остается много энергии, его эвакуация требует принятия особых противопожарных мер, что делает ее более дорогостоящей.
Даже в больших городах куньи нередко повреждают машины, но для электромобилей они особо опасны
Вообще ремонт электромобилей, напоминают эксперты AZT, разрешен только в автомастерских, в которых персонал обучен работать с высоковольтными проводами. Однако если в результате серьезной аварии машина перестает быть искробезопасной (что случается весьма редко, отмечается в исследовании), квалификация таких автомехаников может оказаться недостаточной. Привлечение специалистов затягивает ремонт и ведет к дополнительным расходам.
Весьма дорого владельцам электромобилей (или их страховщикам) могут обойтись куньи или грызуны. Если они повредят высоковольтный кабель, замена соответствующего комплекта может стоить до 7000 евро, поскольку починить такой кабель пока невозможно, констатируют эксперты AZT. Но отмечают, что некоторые автостроители используют сменные защитные оболочки для кабеля. В таком случае стоимость ремонта снижается на 97%.
Повышенной пожароопасности электромобилей нет
А насколько пожароопасными являются электромобили? Ведь из-за целого ряда публикаций в СМИ могло возникнуть впечатление, что они особенно часто воспламеняются. В исследовании приводится статистика: в Германии за год регистрируются порядка 15 тысяч возгораний легковых машин, при этом на автомобили с электрическим приводом приходится существенно меньше 1% случаев.
Пожарные в Кройцау тушат электромобиль, воспламенившийся во время подзарядки
«В ходе нашего исследования мы не обнаружили более высокой вероятности возгорания электромобилей по сравнению с обычными бензиновыми или дизельными автомобилями», — заявил Карстен Райнкемайер (Carsten Reinkemeyer), возглавляющий в AZT отдел изучения проблем технической безопасности.
К аналогичному выводу пришло и Объединение немецкой автомобильной промышленности (VDA). Электромобили горят не чаще, чем машины с ДВС, однако их тушение длится дольше, что, как правило, ведет к более высокому расходу средств пожаротушения.
Смотрите также:
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Volkswagen ID.3: народный электромобиль
Концерн под названием «народный автомобиль» начал продажи своего главного электромобиля для массового рынка. Он призван повторить легендарный успех VW Golf. По длине и ширине ID.3 соответствует этой модели, но несколько выше. Цена в базовой комплектации: почти 30 000 евро. Минус 9 000 евро скидка до конца 2021 года. Батареи трех размеров, самая мощная должна обеспечить пробег до 550 км.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Renault Zoe: лидер немецкого рынка
Уже не первый год самый популярный в Германии электромобиль — родом из Франции. С осени 2019 Renault выпускает «полностью обновленный» вариант своего электрического бестселлера. Его теперь можно быстро подзаряжать постоянным током. В ФРГ базовая версия с дальностью пробега 300 км продается по прежней цене: от 22 000 евро. Zoe Life Z.E. 50 c более мощной батареей проезжает 395 км, но стоит 24 000.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Tesla Model 3: претендент на лидерство
Культовый американский автостроитель начал поставлять в Германию свою модель среднего класса в 2019 году, и она сразу стала одним из двух лидеров продаж среди электромобилей. Версию Standard Range предлагают за 45-54 000 евро, полноприводная AWD Long Range с двумя электромоторами и дорогой комплектацией может стоить порядка 65-70 000.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
BMW i3: испытанный ветеран
Баварский автоконцерн начал выпускать эту модель в 2013 году, став немецким первопроходцем в деле электромобильности. С тех пор с конвейера сошли, в основном на экспорт, свыше 150 тысяч машин. В Германии i3 несколько раз был в тройке лидеров. Развивать дальше эту модель BMW не намерен, но и снимать с производства после семи лет тоже пока передумал: больно хорошо она продается за 38-42 000 евро.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Opel Corsa-e: электрический вариант
Corsa вот уже четыре десятилетия — популярный в ФРГ бренд автомобиля малого класса. Осенью 2019 началось производство шестого поколения этой модели, и ее рекламирует Юрген Клопп — тренер футбольного клуба «Ливерпуль». В ролике он садится за руль именно электрического варианта, который компания Opel выпускает наряду с бензиновым и дизельным. Те стоят 14-18 000 евро, а электромобиль — почти 30 000.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Seat Mii electric: доступная малютка
Свой первый электромобиль вывела на рынок испанская дочка Volkswagen. С Seat Mii, варианта VW up!, сняли бензиновый двигатель, и впредь малютку будут производить только с электрическим мотором. В компании считают, что для типично городского автомобиля дальность пробега в 260 км и 83 лошадиные силы вполне достаточно. Цена — от 20 650 евро. А если еще вычесть субсидии…
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Nissan Leaf: недооцененный чемпион
Японцы первыми разработали электромобиль для массового производства и с 2010 года выпустили уже свыше 400 тысяч машин, что сделало Nissan Leaf мировым чемпионом продаж. Однако в ФРГ, в отличие от США, Японии, Норвегии и Великобритании, эта модель особо популярной не стала, хотя и входила в Топ 10. Базовый вариант стоит сейчас от 37 000 евро, Leaf e+ с более мощной батарей — примерно 45 000.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Hyundai Kona Elektro: компактный SUV
Южнокорейский концерн называет эту выпускаемую с 2018 года модель «первым полностью электрическим компактным SUV в Европе». На станциях быстрой зарядки вариант Kona Elektro Trend с двигателем мощностью 150 кВт (204 лошадиные силы) заряжается меньше, чем за час, а дальность пробега составляет при идеальных условиях до 449 км. Цена — от 42 000 евро, базовый вариант примерно на 8 000 дешевле.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Audi e-tron: настоящий внедорожник
Свой первый электрический SUV дочка концерна Volkswagen выпустила в 2019 году для привычного ей премиум-сегмента — и сразу попала в ФРГ в Топ 10 среди электромобилей. Полноприводный Audi e-tron 50 quattro с двумя моторами стоит в Германии от 69 000 евро, включая 19% НДС, а 55 quattro мощностью 300 кВт и дальностью пробега до 430 км — от 81 000. Хотя часть можно вернуть с помощью субсидий.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Mercedes EQC: батарейный «Мерседес»
Концерн Daimler выбрал для продвижения на рынке Германии своего первого внедорожника на электрической тяге рекламный слоган «Это «Мерседес» среди электромобилей». Его цена — от 71 000 евро, мощность — 300 кВт, дальность пробега при идеальных условиях — 470 км, максимальная скорость — 180 км в час. Полноприводный электромобиль с двумя моторами испытывали, в частности, в условиях шведской зимы.
Какие электромобили можно купить в Германии в 2020 году
Porsche Taycan 4S: «уцененный» спорткар
Электромобиль за 185 000 евро? Именно столько стоит Taycan Turbo S. Осенью 2019 года его начала выпускать компания Porsche, прославившаяся спортивными автомобилями. Модель Turbo обойдется в 152 000. Чтобы несколько расширить круг потенциальных покупателей, прибавили третий вариант: Taycan 4S «всего» за 105 000. Его мощность — 390 кВт, дальность пробега — 330-400 км.
Автор: Андрей Гурков
Двигатель внутреннего сгорания: основы и конструкция
Двигатели внутреннего сгорания периодического действия
В двигателе внутреннего сгорания периодического или возвратно-поступательного действия топливо вводится в замкнутую камеру с плотно установленным внутри поршнем . Камера неподвижна, но поршень может двигаться. Топливо поступает в камеру вместе с кислородом и воспламеняется. Взрыв толкает поршень вперед с большой силой.
Поршень прикреплен к коленчатому валу , который перемещается при скользящем движении поршня вперед и назад внутри камеры.Коленчатый вал способен преобразовывать прямолинейное движение поршня во вращательное движение. Затем вращательное движение используется для вращения колес или лопастей.
Двигатели внутреннего сгорания непрерывного действия
Двигатели внутреннего сгорания непрерывного действия сильно отличаются, но по-прежнему включают сжигание топлива в камере сгорания.В этом типе двигателя воздух и топливо воспламеняются в камере непрерывным образом. Воздух всасывается в двигатель воздушным компрессором, который всасывает и нагнетает воздух в камеру сгорания. Топливо вводится в камеру сгорания, и смесь воспламеняется. Находящийся под высоким давлением и чрезвычайно горячий воздух проходит через турбину и выходит из двигателя с большой силой, продвигая вперед весь двигатель.
Концепция реактивного двигателя на самом деле довольно проста: по той же причине воздушный шар взлетает вверх, если вы позволяете воздуху внутри воздушного шара выйти.Воздух, выпущенный из воздушного шара, толкает атмосферный воздух, а атмосферный воздух, в свою очередь, отталкивает воздушный шар, толкая его вперед. В самолете двигатель выталкивает выхлопные газы, а выхлопные газы толкают двигатель вперед.
Эффективность двигателей внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания также называются тепловыми двигателями , поскольку они превращают теплоту взрыва в работу. Однако теплоту никогда нельзя полностью превратить в работу; всегда есть потери.Фактически, французский инженер Николя Леонард Сади Карно количественно определил теоретическое максимальное количество тепла, которое двигатель может превратить в работу. Теоретический максимум никогда не бывает 100%.
КПД тепловой машины по превращению тепла в работу зависит от разницы температур между резервуарами . В тепловом двигателе мы говорим о горячем резервуаре и холодном резервуаре, при этом энергия всегда течет от горячего к холодному. Двигатель получает тепло от горячего резервуара, взрыва в камере сгорания, преобразует часть этого тепла в работу, а оставшееся тепло отдает в холодный резервуар, выхлопные газы.Тогда эффективность зависит от разницы между температурой горячего резервуара, представленного как Thot, и температурой холодного резервуара, представленного как Tcold. Соотношение:
Идеальная эффективность = (Thot — Tcold)/Thot (Обратите внимание, что температуры должны быть выражены в кельвинах.)
Итак, если у вас есть камера сгорания на 500 K (эквивалент 227 C) выхлопных газов при 300 К (эквивалент 27 С) идеальный КПД будет (500-300)/500, что составляет 40%.Этот идеальный КПД имеет решающее значение для целей проектирования и дает верхний предел того, какую работу может обеспечить определенный тепловой двигатель.
Резюме урока
В этом уроке вы узнали, что двигатель внутреннего сгорания всегда включает преобразование химической энергии топлива в механическую энергию. Двигатели внутреннего сгорания могут работать в режиме прерывистого сгорания , процесс, который включает толкание поршней, прикрепленных к коленчатым валам. Они также могут работать на непрерывном сгорании , когда горячий воздух с высокой скоростью принудительно выталкивается из двигателя, толкая двигатель вперед.Вы также узнали, что двигатель внутреннего сгорания никогда не может быть КПД на 100%. Эффективность ограничена разностью температур горячего и холодного резервуаров , а идеальный КПД двигателя можно рассчитать по формуле Идеальная эффективность = (Thot — Tcold)/Thot (с температурой в Кельвинах).
Как работают автомобильные двигатели внутреннего сгорания и их конструктивные особенности
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ
Большинство автомобилей оснащены поршневым двигателем, известным как двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который сжигает смесь бензина и воздуха.Смесь сгорает в камере сгорания внутри цилиндра над поршнем.
При сгорании смесь быстро расширяется, и давление, оказываемое на верхнюю часть поршня, толкает ее вниз по цилиндру. Нижняя сторона поршня соединена стержнем, известным как соединение с коленчатым валом, и их расположение позволяет преобразовывать путь поршня вниз во вращательное движение вала от возвратно-поступательного движения к вращательному движению. В зависимости от конфигурации двигателя внутреннего сгорания мощность коленчатого вала передается на колеса, приводящие автомобиль в движение, через сцепление или преобразователь крутящего момента, коробку передач и главную передачу.
Впускной и выпускной клапаны в верхней части цилиндра контролируют поступление бензино-воздушной смеси и выход продуктов сгорания в выхлопную систему. Клапаны приводятся в действие эксцентриковыми кулачками распределительного вала, который приводится в движение коленчатым валом. Смесь воспламеняется в камере сгорания свечой зажигания. Ток высокого напряжения или высокого напряжения, необходимый для образования искры, генерируется в отдельной системе зажигания и обычно подается на каждый цилиндр по мере необходимости через распределитель, обычно приводимый в движение распределительным валом.
КАК ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ НАЧАЮТ СГОРАНИЕ ТОПЛИВА
Чтобы запустить двигатель, его нужно провернуть. Это делается электрически с помощью стартера, который вращает коленчатый вал, обычно зацепляя небольшую шестерню с зубьями шестерни вокруг внешнего края маховика, прикрепленного болтами к концу коленчатого вала. Помимо обеспечения средства запуска двигателя, маховик сглаживает импульсы мощности от поршней и позволяет коленчатому валу вращаться относительно плавно.
Всякий раз, когда коленчатый вал вращается стартером, движение поршней вверх и вниз многократно всасывает смесь воздуха и топлива в цилиндры (камеру сгорания) до тех пор, пока камера сгорания не заполнится достаточным объемом воздушно-топливной смеси, чтобы при стартер зажигания выключен, искры от свечей воспламеняют смесь в камере сгорания, в этом случае сразу начинается сгорание, приводящее к запуску двигателя.
КОМПОНЕНТЫ, ПРОДОЛЖАЮЩИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И БЕЗОПАСНУЮ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЕЙ ДВС
Для обеспечения стабильной работы и увеличения срока службы двигатели внутреннего сгорания оснащены системой охлаждения и системой смазки.
Система охлаждения двигателей внутреннего сгорания может быть воздушной или водяной. В методе воздушного охлаждения не используется вода внутри двигателя, а внешнее окружение камер сгорания выполнено с ребрами из равномерно разнесенного металла, что позволяет легко рассеивать тепло, выделяемое при сгорании, в окружающую среду, а температура окружающей среды будет снижаться. помогают поддерживать умеренную температуру в камере сгорания.
Метод водяного охлаждения был наиболее широко использован для автомобильных двигателей и, по-видимому, является наиболее эффективным для автомобильных двигателей, при таком методе внутри корпуса двигателя создаются отверстия водяного канала, особенно в камере сгорания, так что два выходных отверстия водяных каналов будут прикреплены к впускному и выпускному отверстиям радиатора таким образом, чтобы при работающем двигателе вода непрерывно рециркулировала из радиатора в двигатель, а внешний вентилятор помогал охлаждать радиатор. горячая вода, поступающая из двигателя, прежде чем она сможет вернуться обратно из впускного отверстия.
Система смазки работает почти так же, как система охлаждения, но ее основная функция ограничивается только внутренней частью двигателя. В то время как вода и воздух охлаждают двигатель, система смазки обеспечивает плавную работу двигателя с меньшим износом. Хотя система смазки обеспечивает некоторый уровень охлаждения двигателя, ее основная функция заключается в уменьшении износа движущихся частей двигателя.
КОМПОНЕНТЫ, ПЕРЕДАЮЩИЕ МОЩНОСТЬ ОТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СЦЕПЛЕНИЯ
Компонентами, передающими мощность, являются поршни, шатуны и коленчатый вал, они спрятаны внутри блока цилиндров, а снаружи блока и головки цилиндров находится ряд жизненно важных вспомогательных компонентов.
Компоненты включают; впускной и выпускной коллекторы, которые подают топливо и воздух в цилиндры и выводят выхлопные газы, карбюратор, распределитель, стартер, генератор и обычно бензонасос. Положения этих компонентов немного различаются в зависимости от компоновки двигателя. Некоторые из внешних компонентов трудно найти. Карбюратор, как правило, находится под большим воздушным фильтром, а выпускной коллектор может быть наполовину скрыт в тепловой камере, которая направляет теплый воздух к карбюратору.
Также будет несколько шлангов малого диаметра. Помимо подачи воды к обогревателю салона и от него, шланги часто подают воду из блока цилиндров в рубашку вокруг впускного коллектора, где тепло помогает испарять смесь. Они также направляют картерные газы во впускной коллектор.
Однако на внешних частях двигателя концы коленчатого вала обычно соединены с маховиком, шкивом или любым приводным механизмом, где мощность может быть использована для любой цели, для которой она предназначена.В случае автомобильного двигателя мощность будет направлена на приводной механизм колес автомобиля.
ДЕТАЛИ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Из-за значительных температур и сил, возникающих внутри двигателя внутреннего сгорания, компоненты, непосредственно контактирующие с грузами, должны быть чрезвычайно жесткими и очень прочными, чтобы выдерживать неблагоприятные условия в двигателе. Что касается деталей и узлов двигателя внутреннего сгорания, для указанной цели можно найти три основных узла, а именно:
.ГОЛОВКА ЦИЛИНДРОВ
Головка блока цилиндров содержит камеры сгорания, клапаны (обычно два в каждом цилиндре), свечи зажигания, пружины, закрывающие клапаны, и клапанный механизм, открывающий их, а также впускные и выпускные каналы.
БЛОК ЦИЛИНДРОВ
Блок цилиндров содержит цилиндры и содержит коленчатый вал, поршни и шатуны. Он также может нести распределительный вал, но на некоторых двигателях он может быть установлен над головкой цилиндров, и когда это делается, двигатель известен как двигатель с верхним распределительным валом. (ОХК.). в двигателях с водяным охлаждением как блок цилиндров, так и головка блока цилиндров имеют каналы, по которым циркулирует охлаждающая вода.
КОЛЕНВАЛ В СБОРЕ
Коленчатый вал в сборе включает поршень, шатуны и коленчатый вал.Вал установлен в коренных подшипниках, установленных между цилиндрами в нижней части блока цилиндров. На одном конце коленчатого вала находится маховик. В основании двигателя поддон из штампованной стали или литого алюминия представляет собой резервуар для смазочного масла. Вверху крышка удерживает масло, которое смазывает шестерню клапанов и на современных двигателях обеспечивает изоляцию от атмосферного воздуха.
Филип имеет высшее образование в области машиностроения, имеет обширные практические знания в других областях техники и программного обеспечения, такого как: кодирование веб-сайтов (PHP/HTML/CSS), графические работы и т. д.
Он любит писать и делиться информацией, касающейся инженерных и технологических областей, науки и окружающей среды, а также технических должностей. Его посты основаны на личных идеях, изученных знаниях и открытиях из инженерных, научных и инвестиционных областей и т. д.
Пожалуйста, подпишитесь на нашу рассылку и следите за нашими страницами в социальных сетях, чтобы получать регулярные и своевременные обновления. Вы можете подписаться на страницы EngineeringAll в социальных сетях, набрав «@ EngineeringAlls» в любой форме поиска в социальных сетях (Facebook, Twitter, Linkedin, Pinterest, Tumblr и т. д.).
Вы можете отправить свою статью для бесплатного просмотра и публикации, используя страницу «ПУБЛИКАЦИЯ ВАШЕЙ СТАТЬИ» в кнопках МЕНЮ.
Если вам понравился этот пост, поделитесь им с друзьями, используя кнопки социальных сетей.
НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ, ЧТОБЫ ПОДПИСАТЬСЯ НА НАШИ ОБНОВЛЕНИЯ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ
РодственныеВам также могут понравиться эти посты:
Будущее дизайна двигателей внутреннего сгорания: тенденции 2022 года
Изобретение двигателя внутреннего сгорания (ДВС) стало благом для транспорта, эффективности и всего, что связано с Америкой.Но по мере того, как технологии интегральных схем устаревают, а заботы об окружающей среде возрастают, на смену им приходят альтернативы.
Автопроизводители и потребители обдумывают будущее производства автомобилей и грузовиков с двигателями внутреннего сгорания и рассматривают , которые заменят существующих конструкций. Обзор того, что привело нас к этому, а также новые проблемы эффективности и защиты окружающей среды, которые может помочь решить порошковый металл, — это уроки, которые не должен пропустить ни один OEM-инженер:
Будущее двигателей внутреннего сгорания
Ищите эти внешние факторы, которые повлияют на подход инженеров к проектированию двигателей внутреннего сгорания в течение следующего десятилетия:
- Ограничения выбросов CO₂
- Эффективность двигателя для снижения этих выбросов
- Дизель против.традиционный газ
- электромобилей против автомобилей с ДВС
- Порошковая металлургия поддерживает переход к экологичности
Откройте изображение в новой вкладке, чтобы увидеть полномасштабную версию этой инфографики:
1. Ограничения на выбросы CO₂
Глобальный углеродный проект сообщил, что ожидается, что мировые выбросы углекислого газа вырастут на 4,9% в 2021 году, почти вернувшись к рекордным уровням 2019 года. Выбросы резко упали с 2019 по 2020 год (5.4%), поскольку пандемия COVID практически остановила поездки.
В августе 2021 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предложило пересмотренные рекомендации по выбросам парниковых газов для легковых и грузовых автомобилей 2023–2026 годов выпуска. Предлагаемые стандарты включают увеличение выбросов на 10% по сравнению с текущими стандартами для автомобилей 2023 модельного года и повышение уровня выбросов на 5% в каждый из следующих 3 лет. Существующие стандарты ежегодно ужесточаются всего на 1,5%.
В то же время EPA объявило о планах по сокращению выбросов загрязняющих веществ от большегрузных автомобилей за счет более строгих правил.Агентство ожидает, что новые правила будут применяться к большегрузным автомобилям, начиная с 2027 модельного года.
Независимо от планов Агентства по охране окружающей среды, политическая и экологическая атмосфера по-прежнему подталкивают к повышению эффективности двигателя внутреннего сгорания больше, чем потребительский спрос. Независимо от того, согласны ли лично инженеры и руководители с изменениями в воздухе, отрасль неуклонно движется в этом направлении.
2. Как повысить эффективность выбросов двигателей внутреннего сгорания?
Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии сообщает, что производители сократили выбросы загрязняющих веществ более чем на 99% за 30-летний период.Творческие умы добились этого, сохранив или увеличив экономию топлива.
Помимо бензина и дизельного топлива, производители изучают другие способы повышения экономии топлива:
- Использование биодизеля
- Использование других альтернативных или возобновляемых видов топлива
- Комбинация двигателей внутреннего сгорания с гибридными электрическими трансмиссиями
3. Сравнение дизельных двигателей и традиционных бензиновых двигателей
Когда европейцы перешли с дизельных автомобилей на бензиновые, произошло соответствующее увеличение выбросов углекислого газа.По неожиданному повороту некоторые из сегодняшних автомобильных стратегий основаны на дизельных двигателях.
В отчетах указывается, что многие большие дизельные грузовики на самом деле производят меньше выбросов CO2, чем некоторые небольшие автомобили с газовым двигателем. Усовершенствованные технологии позволили создать дизельные двигатели, которые могут заправлять небольшие транспортные средства и обеспечивать:
- Увеличенный расход бензина
- Более низкие уровни выбросов углерода
- Больший крутящий момент
- Долговечный двигатель
Исследование Мичиганского университета, проведенное в 2021 году (вместе с General Motors), показало, что в потребительских автомобилях 100% возобновляемое дизельное топливо может снизить выбросы углерода.Участвующие инженеры заявили, что биотопливо из возобновляемых углеводородов сократило углеродный след на 80% по сравнению с традиционным нефтяным топливом в дизельных двигателях Chevy Cruze и GMC Sierra, которые они тестировали.
Возможно, дизельное топливо является подходящей заменой, в то время как некоторые части мира (например, США) начинают покупать электромобили?
4. Аккумуляторные электромобили и автомобили с двигателем внутреннего сгорания
Ты знал, что это произойдет. Хотя бензиновые двигатели, похоже, не исчезают полностью, они сталкиваются с жесткой конкуренцией со стороны своих электрических конкурентов.
Даже BMW, чей член совета директоров, отвечающий за развитие, в 2019 году назвал автомобильную электрификацию «переоцененной», сигнализирует о начале конца. В октябре 2021 года BMW объявила, что к 2024 году прекратит производство двигателей внутреннего сгорания на одном из своих заводов (в Мюнхене).
Одна вещь, которую сторонники двигателей внутреннего сгорания всегда могли повесить над головами проэлектрической толпы, — это батарея. В частности, это:
- Размер
- Стоимость
- Долговечность
- Возможности зарядки или их отсутствие
Тем не менее, по прогнозам, к середине 2022-х годов электромобили достигнут ценового паритета с традиционными автомобилями, поскольку стоимость аккумуляторов для электромобилей резко упадет.В 2021 году агентство BloombergNEF прогнозировало, что к 2023 году стоимость литий-ионного аккумулятора для электромобиля упадет ниже 100 долларов за кВтч, т. е. примерно на 20%. Эти сокращения, безусловно, происходят быстрее, чем ожидал рынок.
Опасения по поводу запаса хода станут меньшей проблемой для электромобилей в будущем. Технологии развиваются, и появляется все больше зарядных станций. «Беспокойство по поводу запаса хода» (страх потребителей, что им негде будет зарядить аккумулятор) по-прежнему остается серьезной проблемой, которую OEM-производителям еще предстоит решить.
Усовершенствованная порошковая металлургия, сильно отличающаяся от порошковой металлургии вашего отца, становится все более важным фактором при проектировании компонентов двигателей.
«Зеленая» технология порошковой металлургии идет рука об руку с будущим экологичных автомобилей. Спеченные магнитомягкие материалы с более высокой плотностью обеспечивают беспрецедентное повышение производительности. Возможно, вы уже слышали историю о порошковом металле, но эти новые материалы отличаются от материалов стандарта 35, на которые производители полагались десятилетиями.
Стандарт MPIF 35 является отличной базой для производителей порошковой металлургии, но для ваших будущих конструкций статора и ротора могут потребоваться материалы и процессы, превосходящие «стандартные» уровни производительности. В некоторых случаях вы даже можете исключить компонент из сборки, используя порошковый металл.
Современная передовая технология уплотнения может быть немного дороже на начальном этапе, но в долгосрочной перспективе она может значительно сэкономить производителям (и водителям).
Многие компоненты могут быть переведены в порошковый металл.Порошковая металлургия добилась больших успехов в создании мелких деталей для электродвигателей и других автозапчастей по многим причинам:
В частности, магнитомягкие композитные материалы прокладывают путь к сверхэффективному электродвигателю.
Современные услуги порошковой металлургии позволяют плавно перейти от традиционной конструкции двигателя внутреннего сгорания к более эффективным и экологически безопасным двигателям будущего. Достижения в области материалов для ПМ (как вы найдете ниже) и процессов (таких как спекание) сделали это возможным.
Конечно, двигатели внутреннего сгорания еще какое-то время будут существовать. Порошковая металлургия также может способствовать созданию новых или альтернативных конструкций двигателей внутреннего сгорания.
Чтобы узнать, как вы можете использовать новые материалы и процессы порошковой металлургии для улучшения конструкции и производительности вашего двигателя, посетите наш ресурсный центр:
(Примечание редактора: эта статья была первоначально опубликована в сентябре 2019 г. и недавно была обновлена.)
Двигатели внутреннего сгорания | Конструкция машины
Наиболее транспортабельными и надежными источниками энергии являются двигатели внутреннего сгорания.
Большинство промышленных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) малой мощности, около 30 л.с. или меньше, работают на бензине, поскольку дизельные двигатели слишком тяжелые и дорогие. Например, в небольшом водяном насосе с приводом от двигателя бензиновый двигатель будет составлять примерно 60% стоимости всего комплекта. С дизельным двигателем стоимость будет ближе к 90%.
Таким образом, в диапазоне малой мощности выбор двигателя в основном основывается на таких факторах, как выбор между четырех- и двухтактным режимом работы и между чугунной или алюминиевой конструкцией.
Четырехтактный двигатель обычно является предпочтительной бензиновой силовой установкой. Он имеет репутацию долго безотказной работы, ровно работает на холостом ходу и хорошо работает на малых оборотах, не требует смазки в топливе и вообще не имеет выхлопа с видимым дымом.
Небольшие двигатели обычно имеют воздушное охлаждение для простоты и снижения веса. Однако вода наиболее эффективно охлаждает большие стационарные двигатели.
Четырехтактные двигатели мощностью до 40 л.с. обычно имеют простые клапаны с Г-образной головкой, которые дешевле, чем верхний распредвал.Верхний распредвал обеспечивает большую мощность и экономию топлива и обычно используется в более крупных двигателях.
В малых двигателях используется тот же простой дыхательный механизм и карбюратор, что и в автомобильных двигателях. Более сложный впрыск топлива и наддув предназначен для более крупных и дорогих двигателей и дизелей.
Четырехтактные двигатели мощностью более 10 л.с. обычно изготавливаются из чугуна. С двигателями меньшего размера у покупателя есть выбор между чугуном и литым под давлением алюминием. Алюминиевый двигатель дешевле, если он производится в больших количествах.
Говорят, что железо лучше изнашивается, но сторонники алюминиевого двигателя говорят, что при правильном уходе он прослужит так же долго. Железо более устойчиво к грязи, в то время как попадание грязи в двигатель довольно вредно для алюминиевого двигателя.
Автомобильные, морские и авиационные двигатели значительно сложнее, чем небольшие промышленные двигатели, и алюминий успешно используется в больших двигателях для этих целей.
Двухтактный двигатель развивает значительно большую мощность, чем четырехтактный двигатель того же размера.Преимущество двухтактного двигателя в удельной мощности составляет от 50% до 300% и более. Например, четырехтактный двигатель мощностью 40 л.с. может весить 250 фунтов, а двухтактный двигатель такой же мощности весит всего 65 фунтов. Один двухтактный двигатель развивает мощность 80 л.с. при рабочем объеме всего 440 см³.
Благодаря высокому соотношению мощности и веса двухтактный двигатель обычно предпочтительнее для спортивных автомобилей или там, где двигатель необходимо поднимать, удерживать или переносить вручную. Электропилы и большинство подвесных судовых двигателей двухтактные, как и большинство снегоходов.
Новые разработки в этой области заставили автопроизводителей переосмыслить прежние концепции двухтактных двигателей. Одна исследовательская фирма обнаружила, что при тонком распылении топлива сгорание происходит более полно, выхлоп достаточно чистый, чтобы обойтись без каталитического нейтрализатора, а холостой ход контролируется более тщательно.
В других областях применения двухтактный двигатель имеет неблагоприятную репутацию из-за неровного холостого хода, плохой работы на низких скоростях, резкого поведения и быстрого загрязнения. Поскольку они, как правило, лучше всего работают на высоких скоростях, срок их службы может быть коротким.Также в топливо необходимо добавлять смазку.
К их преимуществу первоначальная стоимость составляет примерно 70% от стоимости эквивалентного четырехтактного двигателя, произведенного в том же объеме производства. Двухтактные двигатели обычно изготавливаются из алюминия в целях снижения веса.
Дизели обычно становятся конкурентоспособными с бензиновыми двигателями мощностью более 30 л.с., и они становятся более логичной альтернативой по мере увеличения потребности в мощности. Их обычно выбирают из-за их эксплуатационной экономичности и большей долговечности.В целом дизель стоит примерно в 2 1/2 раза дороже бензинового двигателя, но в среднем дизель служит примерно в 2 1/2 раза дольше. Помимо того, что дизельные двигатели дороже бензиновых, они также производят больше шума и вибрации. Дизели также работают в узком диапазоне оборотов и обычно требуют значительного переключения передач при использовании в автомобилях без гидротрансформаторов. Они требуют впрыска топлива, что способствует их более высокой стоимости.
Дизели приобрели репутацию прочных тяжелых двигателей, прежде всего потому, что они сконструированы таким образом, чтобы выдерживать высокое усилие зажигания и высокое давление в цилиндрах, которые являются следствием высокой степени сжатия, необходимой для самовоспламенения.
Иногда выбор двигателя основывается не только на экономических соображениях. Тенденция к стандартизации топлива, например, часто диктует использование небольших дизелей на установках, уже использующих большие дизели. Тенденция к использованию больших дизельных сельскохозяйственных тракторов, например, поощряет использование дизельных двигателей меньшего размера, поэтому хранится только один вид топлива.
Дизельное топливо менее летучее, чем бензин, и поэтому более безопасно в обращении. А дизельное топливо в меньшей степени подвергается хищениям, чем бензин, что заставляет многих строительных подрядчиков рассматривать дизельное топливо для небольших двигателей.Многие компании стандартизировали дизельную мощность для всех двигателей; большинство двигателей, используемых на буровых установках, являются дизельными.
Географическое положение также может влиять на выбор дизельного топлива по сравнению с бензиновым. Европейские страны, например, сильно склоняются к дизельным двигателям даже для двигателей мощностью менее 30 л.с.
Как и в случае с бензиновыми двигателями, есть выбор между двух- и четырехтактными дизелями. Однако дизели были усовершенствованы и усовершенствованы до такой степени, что внешние функциональные различия между двух- и четырехтактным режимом работы с точки зрения мощности, экономичности или долговечности незначительны.
Для двухтактного дизельного двигателя требуется механический нагнетатель воздуха для принудительной подачи воздуха, чтобы двигатель был достаточно аспирационным. Это в дополнение к турбонагнетателям (с приводом от выхлопных газов), которые часто используются как на четырехтактных, так и на двухтактных дизелях.
Двигатель Ванкеля по функциональным характеристикам, включая вес, выходную мощность, эффективность и скорость, напоминает двухтактный бензиновый двигатель. Короче говоря, Ванкель имеет тенденцию экономить немного больше веса и места по сравнению с обычным четырехтактным двигателем.Эта экономия варьируется от незначительной суммы в небольших двигателях до значительной суммы по сравнению с большим автомобильным двигателем V8. Здесь Ванкель весит примерно вдвое меньше и имеет примерно одну треть размера четырехтактного поршневого двигателя.
Некоторые исследователи ожидают, что в долгосрочной перспективе Ванкель с его четырехтактным принципом работы может оказаться лучше двухтактного. Изначально у Ванкеля была плохая герметизация камеры сгорания и высокий расход топлива. Но постоянные разработки привели к значительным улучшениям в герметизации и снижению расхода топлива.
Wankel получил признание в некоторых секторах автомобильного рынка, но в настоящее время он не является претендентом на промышленное применение. Однако некоторые крупные промышленные роторные двигатели были разработаны специально для комплексных приложений, включающих приводы компрессоров, генераторов и насосов. В основном эти роторные двигатели представляют собой высокомощные тихоходные агрегаты.
Газовая турбина исключительно хорошо подходит для приложений, где требуется значительная выходная мощность при постоянной скорости.Например, одно из наиболее важных применений в промышленности — это приведение в действие огромных электрогенераторов для увеличения выработки пара в условиях пикового спроса в энергетических компаниях. Однако газотурбинные двигатели дороги как в покупке, так и в эксплуатации. Электроэнергия, вырабатываемая на уровне коммунальных предприятий газовой турбиной, стоит в три-четыре раза больше, чем вырабатываемая паровой турбиной.
Стоимость газовой турбины находится в диапазоне от 15 до 35 долларов за л.с., в то время как стоимость поршневых двигателей обычно составляет от 1 до 10 долларов за л.с.Высокая стоимость турбины связана с необходимостью использования дорогих материалов, способных выдерживать высокие температуры.
Турбины плохо экономят топливо при малой нагрузке, и им требуется значительное время для набора скорости при ускорении. Таким образом, они, как правило, делают плохие автомобильные двигатели. Они лучше подходят для тяжелых грузовиков и автобусов, а также для мощных стационарных устройств, где они работают с одинаковой высокой скоростью. Несмотря на свои недостатки, газотурбинный двигатель мощностью 1500 л.с. приводит в движение армейский боевой танк M1.Двигатель может развивать 40-тонную машину со скоростью более 40 миль в час. Тем не менее, это приложение является необычным.
Двигатели Стирлинга внешнего сгорания в настоящее время не имеют промышленного значения, поскольку они столкнулись с жесткой конкуренцией со стороны хорошо зарекомендовавших себя двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, двигатели Стирлинга, как правило, сложны, громоздки и дороги в производстве.
Тем не менее, существует интерес к этой конструкции в автомобильных кругах из-за присущей ей высокой эффективности и низкого уровня выбросов выхлопных газов.Правительство США, например, спонсировало программу, цель которой сделать Stirling экономичной и экономичной альтернативой двигателю внутреннего сгорания в автомобильной промышленности. Однако первое коммерческое применение двигателя Стирлинга связано с переносным электрогенератором для транспортных средств для отдыха и государственных транспортных средств.
Проектирование и применение новых систем сгорания для двигателей внутреннего сгорания
В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие стенок брызг, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном счете, на характеристики двигателя и характеристики выбросов.Таким образом, система сгорания двигателя, включая конструкцию головки блока цилиндров, топливную форсунку…
В двигателях внутреннего сгорания конструкция системы сгорания сильно влияет на поток в цилиндре, взаимодействие стенок брызг, смешивание топлива и воздуха, сгорание и, в конечном счете, на характеристики двигателя и характеристики выбросов. Таким образом, система сгорания двигателя, включая конструкцию головки блока цилиндров, параметры топливной форсунки, конфигурацию форкамеры и форму камеры сгорания поршня, должна быть оптимизирована, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать выбросы загрязняющих веществ.
Разработка и оптимизация систем сгорания основывается на моделировании на уровне системы для установления граничных условий; он включает в себя как моделирование вычислительной гидродинамики (CFD), так и тестирование двигателя. Для заданного набора конструктивных параметров системы сгорания и заданных условий эксплуатации CFD-моделирование прогнозирует аспекты рабочего цикла, такие как эффективность или выбросы загрязняющих веществ. Все более мощные компьютерные кластеры и даже суперкомпьютеры могут оценивать множество комбинаций проектных параметров в любом количестве рабочих условий.Методы оптимизации включают, помимо прочего, планирование экспериментов, генетические алгоритмы и общие методы машинного обучения. Наиболее перспективные конструкции дорабатываются с помощью экспериментов с двигателями для реализации ожидаемого потенциала эффективности.
В то время как моделирование CFD является бесценным инструментом и успешно способствовало разработке экологически чистых и эффективных двигателей, неясно, как продолжение существующих методов может привести к дальнейшему совершенствованию конструкции системы сгорания.Например, несколько аспектов конструкции системы сгорания могут влиять на поток в цилиндре, и часто оптимум достигается без понимания того, были ли геометрия или другие конструктивные особенности ответственны за положительное улучшение потока. В более широком смысле, физические механизмы, которые отличают удачный набор геометрических параметров от неудачного набора, недостаточно хорошо изучены, и очень большое количество результатов моделирования CFD редко используется для обеспечения такого понимания. Кроме того, передовые стратегии сгорания, такие как воспламенение от сжатия бензина и форкамерное сгорание, продемонстрировали потенциал для чистого и эффективного сгорания.Разработка геометрии поршня для таких концепций двигателей находится в зачаточном состоянии, поэтому потенциал для улучшения может быть относительно большим. Текущая тема исследования сосредоточена на усовершенствованных конструкциях систем сгорания и новых подходах к их разработке и оптимизации для снижения расхода топлива и выбросов загрязняющих веществ для различных концепций сгорания двигателей.
Вклады в эту тему исследования включают рукописи, описывающие достижения в разработке систем сгорания как для обычных, так и для усовершенствованных режимов сгорания как на обычных, так и на альтернативных архитектурах двигателей.К ним относятся:
• Новые подходы или алгоритмы к проектированию и оптимизации геометрии портов, параметров сопла топливной форсунки, конфигураций форкамеры и формы камеры сгорания
• Экспериментальные и/или численные исследования новых конструкций систем сгорания и их влияния на эффективность и выбросы.
Авторы обложки: д-р Анци Чжан, Aramco Americas, Исследовательский центр Aramco, Детройт.
Редактор темы Юаньцзян Пей работает в компании Aramco Americas.Все остальные редакторы темы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов в отношении предмета темы исследования.
Ключевые слова : Двигатели внутреннего сгорания, система сгорания, оптимизация конструкции, вычислительная гидродинамика, движение воздуха
Важное примечание : Все вклады в эту тему исследования должны быть в рамках раздела и журнала, в который они представлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки рассмотрения, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.
Инновационные моторные смеси Роторные, с технологией внутреннего сгорания
Эд Стайлз
28 августа 2003 г.
Пять студентов-механиков спроектировали и построили двигатель, который сочетает в себе некоторые из лучших характеристик двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и роторных двигателей.
Он состоит всего из четырех частей, только две из которых вращаются, и обещает быть исключительно надежной, эффективной и плавно работающей конструкцией.Напротив, двигатели внутреннего сгорания, используемые в большинстве автомобилей, имеют около 96 движущихся частей.
Он называется Jonova Motor и является развитием конструкции 1968 года, запатентованной покойным Джоном Новаковски. Его двигатель, также называемый Jonova Motor, работал на сжатом воздухе. Версия студентов инженерных специальностей представляет собой самовоспламеняющуюся и самосжимающуюся конструкцию, что сильно отличает ее от оригинальной конструкции Новаковски.
Новый двигатель Jonova использует роторную систему сжатия, очень похожую на ту, что используется в двигателях Ванкеля Mazda.Но его роторы движутся по круговой траектории, в отличие от ротора Ванкеля, и прикреплены к приводному валу. По сути, роторы заменяют поршни, шатуны и клапаны двигателей внутреннего сгорания. В отличие от поршней, которые имеют прерывистое, постоянно изменяющееся вертикальное движение, роторы Jonova вращаются плавно в одном направлении.
«Даже при 600 об/мин тряски нет, — говорит Рассел Митчелл, один из пяти старших инженеров-механиков, спроектировавших двигатель. «Если вы запускаете двигатель внутреннего сгорания на 600 об/мин, это низкий холостой ход, и он вообще не плавный.
Член команды Джош Людеке отмечает, что двигатель Jonova, как и все роторные двигатели, будет вращаться намного быстрее, чем двигатель внутреннего сгорания, что позволяет ему производить больше энергии при заданном количестве топлива. Роторные двигатели могут вращаться со скоростью 15 000 об/мин, что значительно превышает 4000–5000 об/мин стандартных двигателей внутреннего сгорания и даже намного быстрее, чем гоночные двигатели NASCAR со скоростью 9000 об/мин. «Таким образом вы можете получить большую мощность из крошечного двигателя», — говорит он.
В отличие от других роторных конструкций, у которых ход сжатия часто составляет всего 70 градусов, ход двигателя Jonova составляет 270 градусов, что позволяет ему производить большую мощность.Это также проще, чем другие роторные. «Мы просто откручиваем верхнюю часть и вынимаем валы», — говорит Людеке. «Это очень просто».
Степень сжатия двигателя также варьируется в зависимости от угла между двумя плечами ротора, объясняет Митчелл. Таким образом, один и тот же двигатель можно использовать для всего, от сельскохозяйственного трактора до гоночного автомобиля, в зависимости от того, как он настроен.
Прототип студентов похож на двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания. Несколько таких двухроторных блоков можно было соединить вместе, чтобы получить 6-, 8- или 12-роторную конструкцию.
«Мы просмотрели столько литературы, сколько могли, учитывая время, которое у нас было, но не смогли найти ничего похожего на этот движок», — говорит член команды Кит Брюэр.
В дополнение к Митчеллу, Людеке и Брюэру в команду также входили старшие инженеры-механики Фахад Аль-Маскери и Джумаа Аль-Маскери.
Двигатель был спроектирован и построен всего за восемь месяцев при очень скромном бюджете. Обычно для такого проекта может потребоваться два года и бюджет в 50 000 долларов. Первоначальный импульс для проекта исходил от внука Новаковски, который был студентом UA и обратился к доценту Элу Ортеге с просьбой построить рабочую модель двигателя на основе патента своего деда.
«Чтобы реализовать проект такого масштаба, требуется специальная группа студентов», — говорит Ортега, консультант старшеклассников по аэрокосмической и машиностроительной инженерии (AME). «Эта команда добилась успеха благодаря сочетанию талантов, когда каждый член команды привносил идеи и навыки, которыми не обладал бы ни один человек в одиночку».
Но для проекта требовалось больше, чем просто талант. «Вклад отдела AME, Университетского исследовательского приборостроительного центра (URIC) и компании Raytheon имел решающее значение для успеха, — говорит Ортега.
Департамент AME предоставил средства и опыт преподавателей. Компания Raytheon использовала свое оборудование для быстрого прототипирования для производства нейлонового экспериментального двигателя, который мог бы работать на сжатом воздухе. И URIC изготовил прототип из алюминия и стали, предоставив материалы и рабочую силу на сумму около 7000 долларов.
Изготовитель инструментов URIC Рассел Коул обработал детали и помог студентам воплотить их дизайн в реальность.
«Студенты проводили много времени с Расселом, — говорит Роберт Кингсли, директор URIC.В процессе они получили представление о методах изготовления и процессе воплощения дизайна в оборудование. Например, Коул показал студентам, как разделить их конструкцию на узлы, которые легче обрабатывать.
«Мы были очень довольны этими молодыми людьми и их работой, — добавляет Кингсли. «Если мы продолжим выпускать таких инженеров, как эти ребята, у нашей страны не будет проблем с конкуренцией в области технологий».
К сожалению, у студентов не было денег на изготовление стальных футеровок камеры сгорания.В результате двигатель не может работать в течение длительного времени, поскольку температура плавления алюминия всего на 600 градусов выше температуры искры. У них также не было времени построить карбюратор для двигателя, и они использовали один от «Фольксвагена-жука», который слишком велик для их рабочего объема в 400 кубических сантиметров.
В результате двигатель не работал больше нескольких секунд. «Мы сняли воздухозаборник и брызнули в него немного эфира, и он действительно начал искрить, но карбюратор подает слишком много топлива», — объясняет Людеке.
Ортега говорит, что проект Jonova Motor будет продолжен другой студенческой командой в старшем классе дизайнеров 2003-2004 годов. Вторая версия будет основываться на фундаменте, заложенном прошлогодней командой, и будет включать в себя то, что было невозможно в первом прототипе. В настоящее время отдел AME ищет спонсоров для команды 2003-2004 годов.
Прошлогодней команде было очень интересно увидеть, как их концепция стала реальностью, — говорит Ортега.
Митчелл соглашается. «Увидеть, как это превращается из идеи в электронный файл — это было действительно здорово.Особенно, когда мы собрали анимацию и могли видеть, как она работает. Мы были очень взволнованы. А потом, когда мы действительно увидели, как все это соединилось в металле — это было феноменальное чувство. Это высший пилотаж для инженера.»
Команда старших инженеров-механиков спроектировала и построила этот прототип двигателя всего за восемь месяцев с ограниченным бюджетом. Студенты получили ценную поддержку от Raytheon, Университетского научно-исследовательского приборостроительного центра и Департамента аэрокосмической техники и машиностроения UA.
1 из 2
Jonova Motor имеет только две вращающиеся части. Напротив, двигатели внутреннего сгорания, используемые в большинстве автомобилей, имеют около 96 движущихся частей.
2 из 2
(PDF) МЕХАНИЧЕСКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конструкция двигателя внутреннего сгорания требует тщательного рассмотрения.Однако с помощью программного обеспечения для моделирования КЭ
, такого как Algor, Ansys Fluent и GT-SUITE, процесс проектирования двигателя внутреннего сгорания
стал намного проще. Параметр производительности может быть смоделирован до того, как двигатель будет изготовлен, что позволит сэкономить как время, так и деньги. В заключение, конструкция двигателя внутреннего сгорания была упрощена с помощью
различных инструментов инженерного моделирования.
ССЫЛКИ
1.Нур, М., А. П. Вандель и Т. Юсаф, Разработка экспериментальной установки
с открытой горелкой MILD сгорания. Материалы 2-й Международной конференции по исследованиям в области машиностроения (ICMER 2013),
2013: с. 1-19.
2. Шаари М. и др. Конструкция шатуна двигателя внутреннего сгорания: подход к оптимизации топологии.
Национальная конференция по исследованиям в области машиностроения и последипломному обучению (2-й NCMER, 2010 г.),
, 2010 г.: с.3-4.
3. Мухамад, М.Н., Оценка долговечности блока цилиндров двухтактного беспоршневого линейного двигателя с использованием случайной нагрузки
. Американский журнал прикладных наук, 2009. 6(4): с. 726-735.
4. Мухамад, М.Н., и др., Разработка смесителя сжатого природного газа высокого давления для 1,5-литрового двигателя
CNG-Diesel Dual. 2008.
5. Росли А.Б. и М.Н. Мухамад, Тенденции отношения воздух-топливо к характеристикам двигателя четырехцилиндрового двигателя с прямым впрыском
, работающего на водороде.Европейский журнал технологий и передовых инженерных исследований,
, 2010. 1: с. 20-29.
6. Хамада, К.И., и др., Влияние частоты вращения двигателя и времени впрыска на теплообмен в цилиндре для водородного двигателя с впрыском порта
. НЦМЭИ, 2010. 2: с. 3-4.
7. Рахман, М., и др., Характеристики теплопередачи в цилиндрах двигателя, работающего на водороде: устойчивый подход
. Американский журнал наук об окружающей среде, 2010 г.6(2): с. 124-129.
8. Мухамад, М.Н., Численное исследование характеристик потока в цилиндре двигателя внутреннего сгорания
, работающего на водороде. 2009.
9. Мухамад, М.Н., Моделирование и характеристики двигателя с прямым впрыском водорода, работающего на водороде. 2009.
10. М.М. Рахман, К.И.Х., М.М. Нур, К. Кадиргама, М.А. Малек и Р.А. Бакар, Теплообмен
Характеристики впускного отверстия для двигателя с искровым зажиганием: сравнительное исследование.Журнал прикладных наук,
2010. 10(18): с. 2019-2026 гг.
11. Рахман М.М. и др. Влияние условий впуска на характеристики теплопередачи для двигателя, работающего на водороде
с впрыском через порт. в механике и электротехнике (ICMET), 2010 2-я Международная конференция по.
2010. IEEE.
12. Ариффин А., М.Р.К. Кадиргума и М. Ноор, Многоосная усталостная характеристика головки блока цилиндров для линейного двигателя
со свободным поршнем. Журнал прикладных наук, 2009 г.9(15): с. 2725-2734.
13. Husin, Z., et al. Прогнозирование усталостной долговечности нижнего рычага подвески, подвергнутого нагрузке с переменной амплитудой.
NCMER, 2010. 2: с. 3-4.
14. Рао Г.С. и др. Экспериментальное исследование коэффициента теплопередачи и коэффициента трения наножидкости Al2O3 в колонне с насадкой
. Журнал машиностроения и наук, 2011. 1 (1): с. 1-15.
15. Кадиргама К. и др. Проектирование и моделирование смешивания сжатого природного газа с воздухом в смесительном устройстве.
2008.
16. Кадиргама К. и др. Проектирование и разработка выдувной формы с использованием параметров оптимизации обработки.
2008.
17. Мухамад, М.Н., Оценка усталостной долговечности блока цилиндров для линейного двигателя с использованием метода частотной характеристики
.