Применение двигателей внутреннего сгорания: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ • Большая российская энциклопедия

Применение — двигатель — внутреннее сгорание

Cтраница 1

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.  [1]

Применение двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе, однако, ограничивается транспортными и судовыми установками вследствие меньших ресурсов жидкого топлива сравнительно с каменным углем. Двигатели внутреннего сгорания на стационарных установках применяются также в районах, где жидкое и газообразное топливо используется в качестве основного, о районах безводных и для специальных установок.  [2]

Эффективность применения двигателей внутреннего сгорания в значительной степени определяется их долговечностью и надежностью в эксплуатации. Одним из важных факторов при этом является износостойкость пар трения, зависящая не только от металлофизических характеристик поверхностей трения, но и от свойств смазочного масла, способов подачи к узлам трения, а также от конструкции системы смазки.

Для обеспечения надежной работы современных двигателей внутреннего сгорания большое значение имеет предотвращение образования в них лаков, нагаров, низкотемпературных осадков, коррозии поверхностей некоторых деталей, а также очистка масла в двигателях ( фильтрация, центрифугирование) от образующихся в нем механических примесей. Все перечисленные вопросы отражены в книге.  [3]

При применении двигателя внутреннего сгорания муфта сцепления позволяет включить барабан яобедкк, ротор при работающих двигателях, зя.  [4]

Не допускается применение двигателей внутреннего сгорания ( ДВС) и газотурбинных установок на МНГС без выполнения специальных требований к помещениям этих установок, исключающих доступ в них взрывоопасных смесей при загазованности МНГС.  [5]

При необходимости применения двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей в нормальном исполнении их необходимо устанавливать за глухой несгораемой стеной в отдельном помещении, а валы, соединяющие двигатель с насосом, в местах прохода через стену следует пропускать через герметические сальники.  [6]

С расширением применения двигателей внутреннего сгорания noi eo — ность в бензине непрерывно увеличивалась.  [7]

Единственным преимуществом применения двигателей внутреннего сгорания является значительно меньший расход топлива, чем во всех остальных типах двигателей. В среднем небольшой одноцилиндровый двухтактный дизель потребляет топлива 0 25 кг на 1 л. с. — час. Двухцилиндровый двухтактный двигатель с ка-лильной головкой расходует около 0 4 кг топлива на 1 л. с. — час. Расход топлива у двигателя внутреннего сгорания, как мы видим, почти в 4 — 10 раз меньше, чем у промысловой паровой машины. Таким образом, с точки зрения экономии жидкого топлива двигатель внутреннего сгорания имеет значительные преимущества перед паровой машиной.  [8]

Повышение экономичности применения двигателей внутреннего сгорания, снижение трудоемкости технического ухода за ними имеет важное народнохозяйственное значение. Большую роль при этом играет установление обоснованных сроков замены масла. Малые сроки замены масла приводят к значительному его перерасходу; особенно это заметно в связи с тем, что ряд удачных конструктивных и технологических решений способствовал снижению проникновения масла в камеры сгорания и его расхода на угар в современных двигателях.  [9]

Состав нефтей парафинового и нафтенового основании в %.  [10]

С расширением применения двигателей внутреннего сгорания поа ьб-ность в бензине непрерывно увеличивалась.  [11]

В настоящее время применение двигателей внутреннего сгорания на промыслах весьма ограничено.  [12]

Исключительное разнообразие областей применения двигателей внутреннего сгорания обусловливает соответственно и многообразие конструктивных форм этих двигателей, а также значительные трудности их классификации.  [13]

В виду чрезвычайного разнообразия областей применения двигателей внутреннего сгорания и соответственно многочисленности конструкций и типов двигателей, различающихся как по условиям работы, так и по видам применяемого топлива, не представляется возможным дать единые нормы испытаний для всех двигателей внутреннего сгорания.

Вместе с тем по условиям работы двигатели внутреннего сгорания могут быть разделены на три основные группы: 1) двигатели, работающие при постоянном числе оборотов под воздействием скоростного регулятора, — стационарные и с ручной регулировкой — судовые; 2) двигатели, работающие при переменных числах оборотов, обычно быстроходные — автотракторные и 3) двигатели, хотя и работающие при постоянном высоком числе оборотов, но в специфич.  [14]

Как видно из предыдущего, при применении двигателей внутреннего сгорания, в особенности паровых, силовые установки расходуют значительное количество воды.  [15]

Страницы:      1    2    3

Двигатель внутреннего сгорания | 8 класс

Содержание

Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.

Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.

На данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.

На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

Рисунок 1. Устройство двигателя внутреннего сгорания

 

Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.

В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты. 

Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6. 

Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива  с воздухом (кислородом).

Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.

{"questions":[{"content":"В таком тепловом двигателе, как ДВС, топливо сгорает [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["внутри цилиндра двигателя","в специальном резервуаре","В ДВС не отмечается сгорание топлива, только его нагревание"],"explanations":["ДВС - двигатель внутреннего сгорания. Ответ кроется в  самом названии.","",""],"answer":[0]}}}]}

Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 \degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.

Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться. 

Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя

Для того чтобы более подробно рассмотреть схему работы данного двигателя, нам понадобятся новые определения.

Поршень может двигаться внутри цилиндра. В устройстве самого простого вида, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.

Мёртвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.

Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.

{"questions":[{"content":"Когда при движении поршень достигает своего крайнего верхнего или крайнего нижнего положения в цилиндре, говорят, что он[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["находится в мертвой точке","совершает работу","Движется к мертвой точке"],"answer":[0]}}}]}

Рассматриваемые нами двигатели внутреннего сгорания называют четырехтактными.

Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (за четыре такта).

Один такой такт двигателя или ход поршня происходит за половину оборота коленчатого вала.

Схема работы двигателя внутреннего сгорания: четыре такта

Теперь давайте подробно рассмотрим все четыре такта работы двигателя (рисунок 2).

Рисунок 2. Схематическое изображение работы двигателя внутреннего сгорания

Первый такт (рисунок 2, а):

• При повороте коленчатого вала в самом начале такта поршень начинает двигаться вниз 
• Объем над поршнем увеличивается 
• В цилиндре образуется разрежение 
• Открывается клапан 1. В цилиндр поступает горючая смесь
• Цилиндр заполняется горючей смесью. Клапан 1 закрывается 

Второй такт (рисунок 2, б):

• Вал продолжает поворачиваться, поршень теперь двигается вверх
• Таким образом поршень сжимает горючую смесь
• Поршень доходит до верхней мертвой точки
• Сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры (свеча 6) и сгорает

Третий такт (рисунок 2, в):

• При сгорания смеси образуются газы. Они давят на поршень — толкают его вниз
• Под действием этих расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу. Поэтому,

Третий такт двигателя — это рабочий ход.

• Поршень двигается вниз. Его движение передается шатуну и коленчатому валу
• Получив сильный толчок, коленчатый вал с маховиком продолжают вращение по инерции. При этом они приводят в движение поршень при последующих тактах

Заметьте, что на втором и третьем тактах двигателя клапаны закрыты. 

• В конце такта открывается клапан 2. Продукты сгорания начинают выходить из цилиндра в окружающую среду

Четвертый такт (рисунок 2, г):

• Идет выход продуктов сгорания из цилиндра (клапан 2 открыт)
• Поршень движется вверх
• В конце этого такта клапан 2 закрывается

Итак,

Цикл двигателя состоит из четырех тактов:
впуск
сжатие
рабочий ход
выпуск

{"questions":[{"content":"На третьем такте двигателя внутреннего сгорания[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["расширяющиеся нагретые газы совершают механическую работу","Поршень движется вниз","Поршень движется вверх","Открыт клапан 2","В конце такта открывается клапан 2","в цилиндр поступает горючая смесь через клапан 1"],"answer":[0,1,4]}}}]}

Создание и применение двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания рассмотренного нами вида изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель (рисунок 3).

Рисунок 3. Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858 — 1913)

В 1893 году он получил патент на свой тепловой двигатель. В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» был построен первый двигатель Рудольфа Дизеля . Его мощность составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту. Весил этот двигатель пять тонн. Двигатель Дизеля был четырехтактным. 

В 1900 году, на «Всемирной выставке», Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).

Двигатели внутреннего сгорания имеют очень широкое применение. В ходе их усовершенствования, в мире появлялись новые средства передвижения. Например, автомобили, мотоциклы, самолеты, вертолеты, космические корабли, ракеты, суда на воздушной подушке.

В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.

Существуют и двигатели с другим количеством цилиндров. Многоцилиндровые двигатели лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Огнестрельное оружие является простейшим примером ДВС. Цилиндром является ствол оружия, а поршнем — выбрасываемые из оружия пули или снаряды.

Использование ДВС обеспечило быстрый прогресс в военной индустрии: были разработаны танки, истребители, подводные лодки. 

В настоящее время двигатели внутреннего сгорания установлены практически на каждом виде транспорта, которым мы пользуемся. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки (стр. 1 из 3)

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №6

Реферат по физике на тему:

Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки.

Ученика 8 «А» класса

Бутринова Александра

Учитель: Шульпина Таисия Владимировна

Содержание:

1. Введение ……………………………………………………………….. Стр.3

1.1.Цель работы

1.2.Задачи

2.Основная часть.

2.1.История создания двигателей внутреннего сгорания………………. Стр.4

2.2.Общее устройство двигателей внутреннего сгорания……………… Стр.7

2.2.1. Устройство двухтактного и четырехтактного двигателей

внутреннего сгорания;……………………………………….……………..Стр.15

2.3.Современные двигатели внутреннего сгорания.

2.3.1. Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания;……………………………………………………………………Стр. 21

2.3.2. Задачи, которые стоят перед конструкторами……………………Стр.22

2.4. Преимущество и недостатки над другими типами двигателям внутреннего сгорания ……………………………………………………..Стр.23

2.5. Применение двигателя внутреннего сгорания..…………………….Стр.25

3.Заключене ……………………………………………………………….Стр.26

4.Список литературы……………………………………………………..Стр.27

5. Приложения …………………………………………………………….Стр.28

1. Введение.

1.1. Цель работы :

Проанализировать открытие и достижения ученых по вопросу изобретения и применения двигателя внутреннего сгорания (Д.В.С.), рассказать о его преимуществах и недостатках.

1.2. Задачи:

1.Изучить нужную литературу и отработать материал

2.Провести теоретические исследования (Д.В.С.)

3.Выяснить какие из (Д.В.С.) лучше.

2.Основная часть.

2.1.История создания двигателя внутреннего сгорания.

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Исторически первый работающий двигатель внутреннего сгорания запатентованный в 1859 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. (рис.№1)

Рис.1

У двигателя Ленуара низкий термический КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра.

Двигатель с 18-литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным.
Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара — относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении), и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу), не помогли ему выдержать конкуренцию.

Однако в процессе эксплуатации двигателей выяснилось, что расход газа на лошадиную силу составляет 3 куб/м. в час в место предполагавшегося ориентировочно 0,5 куб/м. Коэффициент полезного действия двигателя Ленуара составлял всего-навсего 3,3%, тогда как паровые машины того времени достигали к. п. д. 10%.

В 1876 г. Отто и Ланген выставили на второй Парижской всемирной выставке новый двигатель мощностью в 0,5 л.с.(рис.№2)

Рис.2 Двигатель Отто

Несмотря на несовершенство конструкции этого двигателя, напоминающего первые пароатмосферные машины, он показал высокую по тому времени экономичность; расход газа состовлял,82 куб/м. на лошадиную силу в час и к.п.д. составил 14%. За 10 лет для мелкой промышленности было изготовлено около 10000 таких двигателей.

В 1878 г. Отто построил по идее Боуде-Роша четырёхтактный двигатель. Одновременно с использованием газа в качестве топлива стала разрабатываться идея использования паров бензина, газолина, лигроина в качестве материала для горючей смеси, а с 90-х годов и керосина. Расход горючего в этих двигателях составлял около 0,5 кг на лошадиную силу в час.

С того времени двигатели внутреннего сгорания (Д. В.С.) изменились по конструкции, по принципу работы, используемых материалов при изготовлении. Двигатели внутреннего сгорания стали мощнее, компактней, легче, но все же в ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %.

2. 2. Общее устройство двигателя внутреннего сгорания.

В основе работы каждого Д.В.С. лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов, которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей. При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку
будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.


Д.В.С., используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:

· питания;

· выпуска отработавших газов;

· зажигания;

· охлаждения;

· смазки.

Основные детали ДВС:

· головка блока цилиндров;

· цилиндры;

· поршни;

· поршневые кольца;

· поршневые пальцы;

· шатуны;

· коленчатый вал;

· маховик;

· распределительный вал с кулачками;

· клапаны;

· свечи зажигания.

Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восемью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 3). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.

Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 4). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 5).

Рис. 3. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:
а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (α — угол развала)

Рис. 4. Поршень

Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз.

Так тепловая энергия превращается в механическую.

Рис. 5. Поршень с шатуном:

1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна;3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца

Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 6).

Рис. 6 Коленчатый вал с маховиком:

1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника

В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала.

Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 4).

Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис.4).

Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.

Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.

А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра. В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.

Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливовоздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов.

Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки

Муниципальное образовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа №6 Реферат по физике на тему: Двигатели внутреннего сгорания. Их преимущества и недостатки. Ученика 8 «А» класса Бутринова Александра Учитель: Шульпина Таисия Владимировна Содержание: 1. Введение ……………………………………………………………….. Стр.3 1.1.Цель работы 1.2.Задачи 2.Основная часть. 2.1.История создания двигателей внутреннего сгорания………………. Стр.4 2.2.Общее устройство двигателей внутреннего сгорания……………… Стр.7 2.2.1. Устройство двухтактного и четырехтактного двигателей внутреннего сгорания;……………………………………….……………..Стр.15 2.3.Современные двигатели внутреннего сгорания. 2.3.1. Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания;……………………………………………………………………Стр. 21 2.3. 2. Задачи, которые стоят перед конструкторами……………………Стр.22 2.4. Преимущество и недостатки над другими типами двигателям внутреннего сгорания ……………………………………………………..Стр.23 2.5. Применение двигателя внутреннего сгорания..…………………….Стр.25 3.Заключене ……………………………………………………………….Стр.26 4.Список литературы……………………………………………………..Стр.27 5. Приложения …………………………………………………………….Стр.28 1. Введение. 1.1. Цель работы : Проанализировать открытие и достижения ученых по вопросу изобретения и применения двигателя внутреннего сгорания (Д.В.С.), рассказать о его преимуществах и недостатках. 1.2. Задачи: 1.Изучить нужную литературу и отработать материал 2.Провести теоретические исследования (Д.В.С.) 3.Выяснить какие из (Д.В.С.) лучше. 2.Основная часть. 2.1.История создания двигателя внутреннего сгорания. Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Исторически первый работающий двигатель внутреннего сгорания запатентованный в 1859 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром.(рис.№1) Рис.1 У двигателя Ленуара низкий термический КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра. Двигатель с 18-литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным. Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара — относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении), и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу), не помогли ему выдержать конкуренцию. Однако в процессе эксплуатации двигателей выяснилось, что расход газа на лошадиную силу  составляет 3 куб/м. в час в место предполагавшегося ориентировочно 0,5 куб/м. Коэффициент полезного действия двигателя Ленуара составлял всего-навсего 3,3%, тогда как паровые машины того времени достигали к. п. д. 10%.  В 1876 г. Отто и Ланген выставили на второй Парижской всемирной выставке новый двигатель мощностью в 0,5 л.с.(рис.№2) Рис.2 Двигатель Отто Несмотря на несовершенство конструкции этого двигателя, напоминающего первые пароатмосферные машины, он показал высокую по тому времени экономичность; расход газа состовлял,82 куб/м. на лошадиную силу в час и к.п.д. составил 14%. За 10 лет для мелкой промышленности было изготовлено около 10000 таких двигателей.   В 1878 г. Отто построил по идее Боуде-Роша четырёхтактный двигатель.  Одновременно с использованием газа в качестве топлива стала разрабатываться идея использования паров бензина, газолина, лигроина в качестве материала для горючей смеси, а с 90-х годов и керосина. Расход горючего в этих двигателях составлял около 0,5 кг на лошадиную силу в час.   С того времени двигатели внутреннего сгорания (Д.В.С.) изменились по конструкции, по принципу работы, используемых материалов при изготовлении. Двигатели внутреннего сгорания стали мощнее, компактней, легче, но все же в ДВС из каждых 10 литров топлива только около 2 литров используется на полезную работу, остальные 8 литров сгорают впустую. То есть КПД ДВС составляет всего 20 %. 2. 2. Общее устройство двигателя внутреннего сгорания. В основе работы каждого Д.В.С. лежит движение поршня в цилиндре под действием давления газов,  которые образуются при сгорании топливной смеси, именуемой в дальнейшем рабочей.  При этом горит не само топливо. Горят только его пары, смешанные с воздухом, которые и являются рабочей смесью для ДВС. Если поджечь эту смесь, она мгновенно сгорает, многократно увеличиваясь в объеме. А если поместить смесь в замкнутый объем, а одну стенку сделать подвижной, то на эту стенку  будет воздействовать огромное давление, которое будет двигать стенку.   Д.В.С., используемые на легковых автомобилях, состоят из двух механизмов: кривошипно-шатунного и газораспределительного, а также из следующих систем:  питания; выпуска отработавших газов; зажигания; охлаждения; смазки. Основные детали ДВС:  головка блока цилиндров; цилиндры; поршни; поршневые кольца; поршневые пальцы; шатуны; коленчатый вал; маховик; распределительный вал с кулачками; клапаны; свечи зажигания. Большинство современных автомобилей малого и среднего класса оснащены четырехцилиндровыми двигателями. Существуют моторы и большего объема — с восемью и даже двенадцатью цилиндрами (рис. 3). Чем больше объем двигателя, тем он мощнее и тем выше потребление топлива.   Принцип работы ДВС проще всего рассматривать на примере одноцилиндрового бензинового двигателя. Такой двигатель состоит из цилиндра с внутренней зеркальной поверхностью, к которому прикручена съемная головка. В цилиндре находится поршень цилиндрической формы — стакан, состоящий из головки и юбки (рис. 4). На поршне есть канавки, в которых установлены поршневые кольца. Они обеспечивают герметичность пространства над поршнем, не давая возможности газам, образующимся при работе двигателя, проникать под поршень. Кроме того, поршневые кольца не допускают попадания масла в пространство над поршнем (масло предназначено для смазки внутренней поверхности цилиндра). Иными словами, эти кольца играют роль уплотнителей и делятся на два вида: компрессионные (те, которые не пропускают газы) и маслосъемные (препятствующие попаданию масла в камеру сгорания) (рис. 5).    Рис. 3. Схемы расположения цилиндров в двигателях различной компоновки:   а — четырехцилиндровые; б — шестицилиндровые; в — двенадцатицилиндровые (α — угол развала)    Рис. 4. Поршень  Смесь бензина с воздухом, приготовленная карбюратором или инжектором, попадает в цилиндр, где сжимается поршнем и поджигается искрой от свечи зажигания. Сгорая и расширяясь, она заставляет поршень двигаться вниз. Так тепловая энергия превращается в механическую.    Рис. 5. Поршень с шатуном:   1 — шатун в сборе; 2 — крышка шатуна;3 — вкладыш шатуна; 4 — гайка болта; 5 — болт крышки шатуна; 6 — шатун; 7 — втулка шатуна; 8 — стопорные кольца; 9 — палец поршня; 10 — поршень; 11 — маслосъемное кольцо; 12, 13 — компрессионные кольца  Далее следует преобразование хода поршня во вращение вала. Для этого поршень с помощью пальца и шатуна шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала, который вращается на подшипниках, установленных в картере двигателя (рис. 6).    Рис. 6 Коленчатый вал с маховиком:  1 — коленчатый вал; 2 — вкладыш шатунного подшипника; 3 — упорные полукольца; 4 — маховик; 5 — шайба болтов крепления маховика; 6 — вкладыши первого, второго, четвертого и пятого коренных подшипников; 7 — вкладыш центрального (третьего) подшипника  В результате перемещения поршня в цилиндре сверху вниз и обратно через шатун происходит вращение коленчатого вала. Верхней мертвой точкой (ВМТ) называется самое верхнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вверх и готов начать движение вниз) (см. рис. 4). Самое нижнее положение поршня в цилиндре (то есть место, где поршень перестает двигаться вниз и готов начать движение вверх) называют нижней мертвой точкой (НМТ) (см. рис.4). Расстояние между крайними положениями поршня (от ВМТ до НМТ) называется ходом поршня.  Когда поршень перемещается сверху вниз (от ВМТ до НМТ), объем над ним изменяется от минимального до максимального. Минимальный объем в цилиндре над поршнем при его положении в ВМТ — это камера сгорания.  А объем над цилиндром, когда он находится в НМТ, называют рабочим объемом цилиндра. В свою очередь, рабочий объем всех цилиндров двигателя в сумме, выраженный в литрах, называется рабочим объемом двигателя. Полным объемом цилиндра называется сумма его рабочего объема и объема камеры сгорания в момент нахождения поршня в НМТ.      Важной характеристикой ДВС является его степень сжатия, которая определяется как отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается поступившая в цилиндр топливовоздушная смесь при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. У бензиновых двигателей степень сжатия находится в пределах 6–14, у дизельных — 14–24. Степень сжатия во многом определяет мощность двигателя и его экономичность, а также существенно влияет на токсичность отработавших газов. Мощность двигателя измеряется в киловаттах либо в лошадиных силах (используется чаще). При этом 1 л. с. равна примерно 0,735 кВт. Как мы уже говорили, работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании силы давления газов, образующихся при сгорании в цилиндре топливовоздушной смеси.  В бензиновых и газовых двигателях смесь воспламеняется от свечи зажигания (рис. 7), в дизельных — от сжатия.    Рис. 7 Свеча зажигания При работе одноцилиндрового двигателя его коленчатый вал вращается неравномерно: в момент сгорания горючей смеси резко ускоряется, а все остальное время замедляется.  Для повышения равномерности вращения на коленчатом валу, выходящем наружу из корпуса двигателя, закрепляют массивный диск — маховик (см. рис. 6). Когда двигатель работает, вал с маховиком вращаются.  2.2.1. Устройство двухтактного и четырехтактного двигателей внутреннего сгорания; Двухтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки (рис.8). Рис.8 Двухтактный двигатель В связи с тем, что в двухтактном двигателе, при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала, рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше, чем четырехтактных — теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена, а сам газообмен менее совершенный, чем у четырехтактных двигателей. В отличие от четырехтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым продувочным насосом, а сам процесс газообмена получил название — продувка. В процессе продувки, свежий воздух (смесь) вытесняет продукты сгорания из цилиндра в выпускные органы, занимая их место. По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси), различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой. Четырёхтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Этими тактами являются: Первый такт — впуск: Во время этого такта поршень перемещается из ВМТ в НМТ. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через впускной  клапан цилиндр заполняется горючей смесью  до тех пор, пока поршень не окажется в НМТ, то есть его дальнейшее движение вниз станет невозможным. Из ранее сказанного мы с вами уже знаем, что перемещение поршня в цилиндре влечет за собой перемещение кривошипа, а следовательно, вращение коленчатого вала и наоборот. Так вот, за первый такт работы двигателя (при перемещении поршня из ВМТ в НМТ) коленвал проворачивается на пол оборота (рис.9). Рис.9 Первый такт — всасывания Второй такт — сжатие. После того как топливовоздушная смесь, приготовленная карбюратором или инжектором, попала в цилиндр, смешалась с остатками отработавших газов и за ней закрылся впускной клапан, она становится рабочей.  Теперь наступил момент, когда рабочая смесь заполнила цилиндр и деваться ей стало некуда: впускной и выпускной клапаны надежно закрыты. В этот момент поршень начинает движение снизу вверх (от НМТ к ВМТ) и пытается прижать рабочую смесь к головке цилиндра. Однако, как говорится, стереть в порошок эту смесь ему не удастся, поскольку преступить черту ВМТ поршень  не может, а внутреннее пространство цилиндра проектируют так (и соответственно располагают коленчатый вал и подбирают размеры кривошипа), чтобы над поршнем, находящимся в ВМТ, всегда оставалось пусть не очень большое, но свободное пространство — камера сгорания. К концу такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 0,8–1,2 МПа, а температура достигает 450–500 °С. (рис.10) Рис.10 Второй такт -сжатие Третий такт — рабочий ход (основной) Третий такт — самый ответственный момент, когда тепловая энергия превращается в механическую. В начале третьего такта (а на самом деле в конце такта сжатия) горючая смесь воспламеняется с помощью искры свечи зажигания (рис.11) Рис.11.Третий такт, рабочий ход. Четвертый такт — выпуск Во время этого процесса впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Поршень, перемещаясь снизу вверх (от НМТ к ВМТ), выталкивает оставшиеся в цилиндре после сгорания и расширения отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал (рис.12) Рис.12 Выпуск . Все четыре такта периодически повторяются в цилиндре двигателя, тем самым обеспечивая его непрерывную работу, и называются рабочим циклом. 2.3.Современные двигатели внутреннего сгорания. 2.3.1. Новые конструкторские решения, внедренные в двигатель внутреннего сгорания. Со времен Ленуара по настоящие время двигатель внутреннего сгорания подвергся большим изменениям. Изменился их внешний вид, устройство, мощность. На протяжении многих лет конструкторы всего мира пытались повысить КПД двигателя внутреннего сгорания, при меньшей затрате топлива, добиться большей мощности. Первым шагом к этому послужило развитие промышленности, появление более точных станков для изготовления Д.В.С, оборудования, появились новые (легкие) металлы. Следующие шаги в моторостроение, зависели от принадлежности моторов. В автомобиле строения нужны были мощные, экономичные, компактные, легко обслуживаемые, выносливые двигатели. В кораблестроение, тракторостроении нужны бы ли тяговые, с большим запасом хода двигатели (в основном дизельные) В авиации мощные без отказные долговечные моторы . Для достижения выше сказанных параметров использовались высоко-оборотистые и мало-оборотистые. В свою очередь на всех двигателях изменялись степени сжатия, объемы цилиндров, фазы газораспределения ,кол-во впускных и выпускных клапанов на один цилиндр, способы подачи смеси в цилиндр. Первые двигатели были с двумя клапанам, смесь подавалась через карбюратор, состоящий из воздушного диффузора дросильной заслонки и калиброванного топливного жиклёра. Карбюраторы быстро модернизировались, подстраиваясь под новые двигатели и их режимы работы . Главная задача карбюратора приготовление горючей смеси и подачи её в коллектор двигателя. Далее использовались другие приемы для увеличения мощности и экономичности двигателя внутреннего сгорания . 2.3.2. Задачи, которые стоят перед конструкторами. Технический прогресс шагнул так далеко что двигатели внутреннего сгорания изменились практически до не узнаваемости. Степени сжатия в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания возросли до 15 кг/кв.см на бензиновых двигателях и до 29 кг/кв.см на дизельных. Число клапанов выросло до 6 на цилиндр, с малых объемов двигателя снимают мощности которые раньше выдавали двигатели больших объемов, например: с двигателя 1600 куб.см снимают мощность 120 л.с., а с двигателя 2400 куб.см. до 200 л.с . При всем при этом требования к Д.В.С. с каждым годом возрастает . Это связанно с вкусами потребителя. К двигателям представляют требования связанные с уменьшением вредных газов. В наше время на территории России введена норма ЕВРО-3, в Европейских странах введен стандарт ЕВРО -4. Это заставило конструкторов всего мира перейти на новый способ подачи топлива, контроля, работы двигателя. В наше время за работу Д.В.С. контролирует, управляет, микропроцессор. Отработанные газы дожигаются разными видами катализаторов. Задача современных конструкторов заключается в следующем : угодить потребителю, созданием моторов с нужными параметрами ,и уложиться в нормы ЕВРО-3, ЕВРО-4. 2.4. Преимущество и недостатки над другими типами двигателям внутреннего сгорания . Оценивая преимущества и недостатки Д.В.С. с другими типами двигателей, нужно сравнивать конкретные типы двигателей. Преимущества: Недостатки: Д.В.С 1. Высокая дальность передвижения на одной заправке; 2. Малый вес и объем источника энергии (топливного бака). . Низкий средний КПД во время эксплуатации; 2. Высокое загрязнение окружающей среды; 3. Обязательное наличие КПП; 4. Отсутствие режима рекуперации энергии; 5. Работа ДВС подавляющую часть времени с недогрузом Электродвигатель 1. Малый вес; 2. Максимальный момент доступный при 0 об/мин; 3. Нет необходимости в КПП; 4. Высокий КПД; 1. Малое плечо на одной зарядке; 2. Долгая зарядка; 3. Малый срок службы батареи; 4. Большой объем и вес батареи Паровой двигатель 1.Работа на любом топливе. 2.Самая высокая единичная мощность. 3.Различные варианты теплоносителя. 4.Широкая линейка мощностей. 5.Солидный ресурс. 1.Высокая инертность (длительный период запуска). 2.Высокая стоимость. 3.Производство тепла преобладает над электроэнергией. 4.Сложный и дорогой капитальный ремонт. 5.Высок нижний порог эффективного применения. Реактивный двигатель 1. Сверх большие скорости 2.Преодоление больших расстояний. 4.Большая мощность. 1.Большой расход топлива . 2.Дорогое обслуживание. 3.Узкий спектр применения . 2.5. Применение двигателя внутреннего сгорания. Д.В.С. применяются во многих транспортных средствах и в промышленности. двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизованных инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств. 3. Заключение. Мы проанализировали открытие и достижения ученных по вопросу изобретения двигателей внутреннего сгорания, выяснили какие у них преимущества и недостатки. 4. Список литературы. 1. Двигатели внутреннего сгорания, т. 1-3, Москва.. 1957. 2.Физика 8 класс. А.В. Перышкин. 3.Википедия(свободная энциклопедия) 4. Журнал «За рулем» 5. Большой справочник школьника 5-11 классы. Москва. Издательство Дрофа. 5. Приложение Рис.1 http://images.yandex.ru Рис.2 http://images.yandex.ru Рис.3 http://images.yandex.ru Рис.4 http://images.yandex.ru Рис.5 http://images.yandex.ru Рис.6 http://images.yandex.ru Рис.7 http://images.yandex.ru Рис.8 http://images.yandex.ru Рис.9 http://images.yandex.ru Рис.10 http://images.yandex.ru Рис.11 http://images.yandex.ru Рис.12 http://images.yandex.ru

Двигатель внутреннего сгорания — Технарь

Двигатель внутреннего сгорания — распространенней вид теплового двигателя, в нем топливо сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

Такой тип теплового Двигателя обычно устанавливают на большинстве автомобилей. На рисунке 204 показан разрез простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединенный при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5. На валу укреплен тяжелый маховик 6, предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала.

В верхней части цилиндра имеются два клапана 1 и 2, которые при работе, двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 7, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы.

В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600-1800°С. Давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом они охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Рассмотрим более подробно, схему работы такого двигателя. Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень движется вниз (рис. 205, а). Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывается клапан 1 ив цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закрывается.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь (рис. 205, б). В конце второго такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз (рис. 205, в). Под действием расширяющихся горячих газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах.

В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в, атмосферу. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта, когда поршень движется вверх (рис. 205, г). В конце четвертого такта клапан 2 закрывается.

Затем циклы работы двигателя повторяются.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. В автомобильных двигателях пуск двигателя обычно осуществляется вспомогательным электрическим двигателем — стартером.

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания, На рисунке 206 изображен разрез такого двигателя. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход, и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней.

Имеются и восьмицилиндровые автомобильные двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Необходимой частью всякого двигателя внутреннего сгорания является система охлаждения, так как возможны и преждевременные вспышки горючей смеси и даже ее взрыв. Охлаждение цилиндров производится проточной водой или воздухом, поэтому двигатели внутреннего сгорания бывают с жидкостным или воздушным охлаждением.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Вопросы.

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания? 2. Из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания? 3. Какие физические явления происходят при сгорании горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания? 4. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя? 5. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырех тактов? Как называют эти такты? 6. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания? 7. Какие двигатели внутреннего сгорания чаще всего применяют в автомобилях? 8. Где ещё, кроме автомобилей, применяют двигатели внутреннего сгорания?

Метки: вал двигателявосьмицилиндровые автомобильные двигателивыпускгазообразный продуктдавление на поршеньдвигательдвигатель внутреннего сгоранияжидкое топливоклапанколенчатый валмеханическая энергияМногоцилиндровые двигателипоршеньработа цилиндрарабочий ходсгораниесжатиесистема охлаждениястартертеплотеплотатопливофизикаэнергия

Двигатель внутреннего сгорания.

8-й класс

Цель урока:

• рассмотреть физические принципы работы тепловых двигателей,
• воспитывать навыки бережного отношения к природе.

Ход урока

I. Подготовка к восприятию нового материала:

1. В каком случае про тело или систему взаимодействующих между собой тел говорят, что они обладают энергией ?
2. Как связаны изменение энергии тела (или сиcтемы тел) и совершённая им работа ?
3. Какие два вида механической энергии вы знаете ?
4. Какую энергию называют кинетической ? Потенциальной ?
5. Приведите примеры превращения потенциальной энергии тела в кинетическую ; кинетической энергии — в потенциальную.
6. Дайте определение внутренней энергии тела.
7. Приведите примеры превращения механической энергии тела в его внутреннюю энергию.
8. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

II. Изучение нового теоретического материала.

1. Историческая справка (сообщение ученика)

1698г. Томас Сэвери (английский инженер) создал машину, которая преобразовывала внутреннюю энергию в механическую (тепловой двигатель) , его использовали для откачки воды из угольных шахт.

1710г. Томас Ньюкомен (английский инженер) предложил пароатмосферный двигатель , в котором пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. Для возврата в нижнее положение его охлаждали, пар конденсировался, давление в цилиндре падало, и под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Затем цилиндр снова нагревали, чтобы заставить пар толкать поршень вверх. На всё это уходило много времени и, двигатель работал очень медленно и с низким КПД.

1766 г.

Иван Иванович Ползунов. (русский изобретатель) разработал чертежи двухцилиндровой паровой машины. Для ее изготовления Ползунову пришлось сделать различные инструменты, токарный станок для обработки металла «на водяном ходу». При этом Ползунову удалось изготовить все детали паровой машины всего за 13 месяцев. Некоторые детали весили до 2720 килограммов.

Его машина должна была заменить водяной двигатель на заводе в Барнауле.

Из оборудования на заводе были только воздуходувные мехи и молоты для ковки металла. И их приводили в движение силой воды. Поэтому заводы строили на берегах рек. Если река становилась более мелководной, то производство останавливалось.

Иван Иванович Ползунов решил заменить водяной двигатель и ручной труд на «ог­ненную машину».

В 1765 году Ползунов разработал специальный поплавковый регулятор уровня в котле.

К сожалению, увидеть машину в работе Ползунову не удалось, он умер за два месяца до пуска машины в эксплуатацию, 27 мая 1766 года.

Его паровая машина окупила себя всего за два месяца. К сожалению, после небольшой поломки хозяева машины не смогли ее починить.

1769 г. Джеймс Уатт (шотландский инженер) превзошёл своих предшественников и учителей. Он создал усовершенствованную паровую машину. В его двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как толь­ко поршень возвращался в свое исходное положение. Для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.

Паровые машины обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.

Паровые машины устанавливались на паровозы, пароходы.

2. Теоретический материал (ученики работают с текстом по плану, каждый пункт сопровождается слайдом.).

a) Название.

Двигатель внутреннего сгорания — очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. (Приложение1; слайд 1.)

 б) Основные части.

Двигатель состоит из цилиндра 1, в ко­тором перемещается поршень 2, соединен­ный при помощи шатуна 3с коленчатым валом 4.В верхней части цилиндра имеется два клапана 5, которые при работе двига­теля автоматически открываются и за­крываются в нужные моменты. Через левый клапанв цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через правый клапан выпускаются отрао­тавшие газы. (Приложение1; слайд №2 )

в) основные понятия

Край­ние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода по­ршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными. Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

г) Физические принципы работы.

В цилиндре двигателя периоди­чески происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С, давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом они охлаж­даются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя.

В начале первого такта поршень движется вниз.Объем над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение. Открывает­ся левый клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого так­та цилиндр заполняется горючей смесью, данный клапан закрывается. ( Приложение1; слайд №3)

В начале второго такта поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. В конце второго такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и взрывается. (Приложение1; слайд №4).

В начале третьего такта, образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз, двигатель совершает работу. В конце третьего такта открывается правый клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. (Приложение1;слайд №5).

В начале четвёртого такта поршень начинает двигаться вверх, благодаря инерции маховика. При этом выпуск продуктов сгорания продолжается. В конце четвёртого такта правый клапан закрывается. (Приложение1; слайд №6).

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. (Приложение1; слайд №7; Приложение2.))( Показ сопровождается рассказом учителя. (двумя кликами можно задерживать картинку на каждом такте работы двигателя.)

3. Тестирование. (Ученики отвечают на вопросы после предварительного обсуждения.)

(Приложение1; слайды №8 — №15)

4. Применение двигателей. (Ученики по желанию, рассказывают работу двигателя по предложенному слайду, затем перечисляют пользу и вред двигателя )

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность. Приложение1; (слайд №16)

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Польза двигателей несомненна. В настоящее время мощность всех двигателей на Земле составляет 1010 кВт. И пока она справляется, перерабатывая углекислый газ. Однако уже с мощностью в 1012 кВт ей не справится. (Приложение1; слайд№17)

5. Защита окружающей среды от двигателей внутреннего сгорания.

В цилиндрах двигателя проходит окисление мелкораспыленного и испаренного топлива кислородом воздуха с образованием тепла, углекислого газа и воды. За тысячные доли секунды, отводимые на этот процесс, при каждом такте работы двигателя, часть топлива не успевает сгореть. Продукты его неполного сгорания выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы. Дизели выбрасывают еще и сернистый ангидрид 5О2, образующийся при горении топлива в цилиндрах. В США, Японии, а также России были установлены предельно допустимые нормы выброса для различных категорий автомобилей.

Из-за загрязнения изменяется климат. Ученые доказали, что изменение климата в XX в. является следствием повышения среднеглобальной приземной температуры воздуха (она повысилась примерно на 0,5 °С). В атмосфере возросла концентрация парниковых газов, углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое излучение поверхности земли и частично направляют его обратно, создавая так называемый парниковый эффект. Из-за изменения климата исчезают и отдельные виды животных и птиц. Например, это случилось с реликтовой чайкой. Уже так много видов животных занесено в красную книгу! (Приложение1; слайд №18)

Сейчас создаются различные движения. Гринпис — это экологическое движение, созданное в 1971 году. Его задача — охрана окружающей среды. Штаб-квартира находится в Америке. Гринпис не получает абсолютно никакого финансирования, а его огромный ежегодный бюджет складывается из частных пожертвований и взносов.

В разных ситуациях мы вспоминаем замечательные слова Б. Окуджавы, в том числе и при решении экологических проблем:

Возьмемся за руки, друзья!
Возьмемся за руки, друзья,
Чтоб не пропасть поодиночке.

Спасем Землю! Это может сделать каждый из вас.

III.Домашнее задание.

Ученики составляют памятку для людей, призывающую их спасти Землю.

Материалы :

1. А. А.Пёрышкин. Физика. Москва. ООО «Дрофа.», 2000 г.
2. В.А.Волков. Поурочные разработки по физике. Москва. «Вако» 2006 г.
3. В.А.Шевцов. Поурочные планы по учебнику А.В Пёрышкина. Волгоград. «Учитель»
4. Интернет – ресурсы.

Двигатель внутреннего сгорания — Путь вперед

Вместо того, чтобы найти жизнеспособные варианты, люди часто запрещают многие вещи, которые они не могут контролировать. Наряду с глобальными дебатами о криптовалютах, контроле над оружием и многом другом, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) последним попал в список запрещенных. Будучи изображенными главными злодеями глобального потепления, несколько стран G7, таких как Франция, Германия и Великобритания, разработали стратегию запрета ДВС на следующие два десятилетия. Учитывая выбросы парниковых газов и постоянное стремление улучшить качество воздуха, останется ли двигатель внутреннего сгорания (ДВС) основным транспортным средством в будущем?

Электрическая мобильность против ДВС

По оценкам, в настоящее время во всем мире используется около 2 миллиардов двигателей внутреннего сгорания. Самое главное, что эти двигатели используются не только для автомобилей, но и для функциональных грузовиков, поездов, кораблей и многого другого. Количество исследований, проведенных в отношении ДВС, сделало его не только более эффективным, но, что более важно, также позволило разработать методы снижения вредных выбросов. Хотя каталитические нейтрализаторы весьма эффективны в борьбе с выбросами в бензиновых двигателях, их успех в дизельных двигателях все еще весьма ограничен. Учитывая ограниченность запасов ископаемого топлива и тот факт, что использование этих видов топлива способствует выбросам, крайне важно найти альтернативное решение, причем быстро. Из всех вариантов, которые существуют, электрический является наиболее популярной альтернативой на рынке.

Рыночный сценарий

Феномен электромобилей демонстрирует тенденцию к росту на всех основных рынках. Сейчас на рынке появляется все больше и больше электромобилей. В 2017 году во всем мире было добавлено более 1 миллиона автомобилей. Лидирует в этом росте Китай, за ним следуют Европа и США. Такие страны, как Индия, также становятся крупным рынком с их национальной программой электромобилей, нацеленной на то, чтобы к 2030 году 30% автомобилей, которые будут проданы, были электрическими.

Инфраструктура

Чтобы электромобили (EV) были такими же функциональными и распространенными, как ДВС, необходимая инфраструктура все еще нуждается в большом количестве разработок и научных прорывов, особенно в области аккумуляторных технологий. Для ископаемых видов топлива заправка — это быстрый и эффективный процесс, который можно эффективно выполнять через заранее определенные интервалы времени на заправочных станциях, обслуживающих тысячи автомобилей. Но когда, по оценкам, к 2030 году от 10 до 25% транспортных средств на дорогах будут электрическими, какие усилия прилагаются для создания такой зарядной инфраструктуры? Учитывая использование электромобилей для ежедневных поездок на работу, наличие домашних зарядных устройств становится обязательным. Логистика установки и обслуживания этих зарядных станций снова создаст свои проблемы.

По мере того, как люди начинают ездить на электромобилях вне своих ежедневных поездок на работу и на большие расстояния, потребность в крупномасштабной сети зарядки становится еще более очевидной. Несмотря на то, что для его развития выделяются инвестиции, все еще существует несколько проблем, которые необходимо решить, в том числе проблема подключения к сети. Несмотря на продолжающиеся исследования по сокращению времени подзарядки автомобиля, современная аккумуляторная технология не позволяет безопасно перезарядить аккумулятор электромобиля даже за время, вдвое превышающее время, необходимое для полной заправки топливного бака автомобиля. Например, чтобы зарядить Tesla с 20% до 80% на суперзарядной станции, потребуется от 20 до 30 минут; в то время как это займет более 90 минут, чтобы достичь 100%. Следовательно, в то время как электродвигатели обеспечивают новаторские характеристики электромобилям, их широкое внедрение будет проблемой, если не будет доступной техники для эффективной заправки транспортных средств со скоростью, аналогичной времени, необходимому для заправки топливом.

А водород?

Водород используется для питания ракет, лодок, самолетов и многого другого. В автомобильном сценарии химическая энергия водорода используется для питания автомобилей путем его сжигания в двигателях внутреннего сгорания или путем использования топливных элементов для преобразования его в электричество для запуска электродвигателей. В двигателе внутреннего сгорания ископаемое топливо и водород работают с термодинамическим КПД примерно от 20 до 25%, в то время как использование топливного элемента для преобразования водорода в электричество и работы электродвигателя работает с КПД более 60%.

Аккумуляторные электромобили или электромобили на топливных элементах?

Как электромобили с батарейным питанием, так и электромобили на топливных элементах используют электричество для приведения в действие электродвигателей, обеспечивающих тягу. Используя доступные в настоящее время технологии, эффективность, достигаемая при зарядке аккумуляторов и использовании их для питания электродвигателей, более эффективна, чем при производстве водорода и использовании топливных элементов для производства электроэнергии. Однако недостатком батареи является то, что с увеличением дальности увеличивается потребляемая мощность, увеличивается вес батареи и это в конечном итоге снижает общую эффективность батареи.

Каковы проблемы?

Самой большой проблемой при использовании водорода является стоимость производства. В настоящее время большая часть водорода производится из углеводородов с использованием методов парового риформинга, эффективность которых составляет от 60 до 70%. Благодаря достижениям в области технологии топливных элементов можно достичь эффективности производства водорода более 80%. В любом случае, стоимость производства водорода все еще довольно высока.

Хотя водород можно транспортировать и распределять, используя ту же инфраструктуру, что и дизельное топливо или бензин, можно также производить водород в месте его распределения, чтобы снизить стоимость. Стоимость производства водорода может быть дополнительно снижена, если производственный процесс будет использовать непиковую нагрузку или избыточную энергию, которую можно получить из возобновляемых источников энергии.

Вердикт

Двигатель внутреннего сгорания используется уже более века. Было проведено множество исследований, направленных на увеличение мощности, снижение выбросов и в целом на повышение эффективности. Недавно Mazda объявила об инновациях в технологии своих бензиновых двигателей, которые повысят их эффективность примерно на 20–30%. Ожидается, что автомобили с этой технологией появятся на рынке к 2019 году.

Даже характеристики, достигнутые грядущим родстером Tesla, бросают вызов установленным эталонным показателям производительности, установленным производителями высокопроизводительных автомобилей, такими как Koenigsegg. Тем не менее, полностью электрические автомобили все еще довольно дороги. Без субсидий и стимулов экономическая выгода, которую можно получить за счет снижения эксплуатационных расходов в соответствии с увеличением первоначальных инвестиций, не имеет коммерческого смысла для среднего владельца автомобиля.

Футуристические автомобили

Двигатели внутреннего сгорания способствовали глобальному потеплению, из-за чего на их использование накладываются дополнительные ограничения. Для устойчивого будущего необходимо изучить другие жизнеспособные варианты. Электромобили, которые уже доступны в продаже, доказывают, что это жизнеспособное транспортное средство. Несомненно, электродвигатели, аккумуляторы, топливные элементы и т. д. будут играть ключевую роль в развитии футуристических транспортных средств. Будь то использование аккумуляторов или топливных элементов, развитие технологий в области накопления энергии, безусловно, будет стимулировать развитие электромобилей. Опять же, пройдет немало времени, прежде чем мы увидим конец двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания для производства электроэнергии – Введение

Двигатель внутреннего сгорания для производства электроэнергии: Введение

Двигатели внутреннего сгорания – это хорошо известная технология, используемая в автомобилях, грузовиках, строительной технике, морских силовых установках и системах резервного питания. Двигатели внутреннего сгорания используют расширение горячих газов для толкания поршня внутри цилиндра, преобразуя линейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала для выработки мощности. В то время как паровые двигатели, приведшие в действие промышленную революцию, приводились в движение паром, произведенным извне, современные двигатели внутреннего сгорания, используемые для выработки электроэнергии, представляют собой двигатели внутреннего сгорания, в которых воздушно-топливная смесь сжимается поршнем и воспламеняется внутри цилиндра. Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) характеризуются типом сгорания: искровым (СГ) или воспламенением от сжатия, также известным как дизель.

Как работает двигатель внутреннего сгорания?

Двигатель SG основан на цикле Отто и использует свечу зажигания для воспламенения топливно-воздушной смеси, впрыскиваемой в верхнюю часть цилиндра. В цикле Отто топливная смесь не нагревается настолько, чтобы гореть без искры, что отличает его от цикла Дизеля. В дизельных двигателях воздух сжимается до тех пор, пока его температура не поднимется до температуры самовоспламенения топлива. Когда топливо впрыскивается в цилиндр, оно немедленно сгорает вместе с горячим сжатым воздухом, и расширяющиеся газы сгорания толкают поршень к нижней части цилиндра.

Каждое движение поршня внутри цилиндра называется ходом. Поршневые двигатели внутреннего сгорания характеризуются числом тактов для завершения одного силового цикла и частотой вращения коленчатого вала (выражается в оборотах в минуту, об/мин). Для производства электроэнергии используются преимущественно четырехтактные двигатели. Во время такта впуска предварительно смешанный воздух и топливо (двигатели SG) или воздух (дизельные двигатели) всасываются в цилиндр по мере того, как поршень движется вниз в положение «нижней мертвой точки». На такте сжатия в двигателях СГ топливовоздушная смесь сжимается поршнем и воспламеняется искрой от свечи. Самовоспламенение в двигателях SG предотвращается правильным ограничением степени сжатия.


В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр ближе к концу такта сжатия, когда воздух достаточно сжат для достижения температуры самовоспламенения. Сгорание топливовоздушной смеси вызывает ускоренное расширение газов высокого давления, которые прижимают поршень ко дну цилиндра во время рабочего такта, сообщая вращение коленчатому валу. Сгорание происходит прерывисто — только во время рабочего такта, тогда как в газовых турбинах сгорание происходит постоянно. Когда поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра во время такта выпуска, продукты сгорания (выхлопные газы) выталкиваются через выпускной клапан. Несколько цилиндров соединены с коленчатым валом и ориентированы таким образом, что в то время как одни поршни сообщают вращение коленчатому валу во время рабочего такта, другие поршни толкаются обратно к верхней части цилиндров во время такта выпуска.

Размер и мощность двигателя внутреннего сгорания зависят от объема сжигаемого топлива и воздуха. Таким образом, размер цилиндра, количество цилиндров и частота вращения двигателя определяют количество энергии, генерируемой двигателем. Увеличивая подачу воздуха в двигатель с помощью воздуходувки или компрессора, что называется наддувом, выходная мощность двигателя может быть увеличена. Обычно используемый нагнетатель представляет собой турбокомпрессор, в котором используется небольшая турбина на пути выхлопных газов для извлечения энергии для привода центробежного компрессора.

Гибкость в использовании топлива в двигателях внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания могут работать на различных видах топлива


сырая нефть. Дизельные двигатели, как правило, более эффективны, чем двигатели SG, но также производят больше оксидов азота (NOx), диоксида серы (SO2) и твердых частиц (PM). Образование SO2 и PM зависит от топлива, поскольку природный газ дает низкий уровень выбросов. Образование NOx связано с температурой горения. В двигателях SG предварительное смешивание воздуха с топливом для создания «обедненных» условий (больше воздуха, чем необходимо для сгорания) снижает температуру сгорания и препятствует образованию NOx. Были разработаны новые конструкции двигателей, позволяющие использовать преимущества дизельного процесса при сохранении преимуществ сжигания обедненной смеси. Двухтопливные (ДТ) двигатели разработаны с возможностью сжигания как жидкого, так и газообразного топлива. При работе в газовом режиме газообразное топливо предварительно смешивается с воздухом, впрыскивается сразу после такта сжатия и воспламеняется пламенем пилотного топлива. В этом процессе пламя пилотного топлива действует как «свеча зажигания» для воспламенения обедненной газовоздушной смеси. Двигатели DF сохраняют возможность использования резервного жидкого топлива при прекращении подачи газа.

Генераторы

На электростанции многие парогенераторы или дизельные ДВС сгруппированы в блоки, называемые генераторными установками. Каждый двигатель соединен с валом, который соединен с его электрическим генератором. Эти генераторные установки обеспечивают модульную электрическую мощность и имеют стандартные размеры от 4 до 20 МВт.

_{Машинный зал в Goodman Energy Center в Канзасе, США}

Wärtsilä Energy. Давайте подключимся.

Свяжитесь с нами

Двигатели внутреннего сгорания Road Forward

А вот и Nissan Leaf и Chevy Volt, первые участники рынка электромобилей США и конечные продукты более чем 20-летнего автомобильного новаторства и передовых исследований и разработок.

Защитники окружающей среды и защитники экологически чистых автомобилей, а также преданные сторонники государственных полисов, покупателей автомобилей и инженеров возвещают о том, что Leaf, Volt и другие электромобили (EV), которые должны появиться в ближайшие несколько лет, станут символами надежды на чистую энергию. -эффективная транспортировка.

Время покажет, закрепятся ли новые автомобили с батарейным питанием на рынке. Но на данный момент технология, которую электромобиль призван однажды заменить, — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), — процветает и получает значительный прогресс в исследованиях и разработках.

Двигатель Ниссан Лиф. В университетах, национальных лабораториях и корпоративных научно-исследовательских центрах инженеры и ученые проводят исследования для повышения эффективности конструкции и производительности двигателя внутреннего сгорания для всего спектра транспортных средств, включая легковые автомобили, легкие грузовики, внедорожники и тяжелые транспортные средства. . Исследования и разработки направлены как на двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием, так и на дизельные двигатели внутреннего сгорания, и большая их часть сосредоточена на контроле выбросов.

«Я бы сказал, что целью и стратегией текущих исследований в области двигателей внутреннего сгорания является сокращение выбросов», — сказал Сонг-Чарнг Конг, профессор инженерии Университета штата Айова в Эймсе, в котором находится лаборатория двигателей внутреннего сгорания. «Федеральные стандарты выбросов строгие, и все производители двигателей должны соответствовать этим стандартам».

Сокращение выбросов

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

Интерьер Chevy Volt. В то время как контроль CO ₂ по-прежнему вызывает раздражение у производителей двигателей, исследователи в последние годы добились определенного успеха в снижении выбросов оксидов азота (NO _x ) с помощью технологии воспламенения от сжатия гомогенного заряда (HCCI), процесса, который включает в себя низкое температура горения. «Снижение температуры горения позволяет нам предварительно обрабатывать NO _x выбросов, по сути, улавливая их до того, как они попадут в каталитический нейтрализатор», — сказал Кирби Чепмен, директор Лаборатории двигателей внутреннего сгорания в Университете штата Канзас.

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

Виктор Вонг, главный научный сотрудник Слоанской автомобильной лаборатории Массачусетского технологического института, воодушевлен исследовательскими усилиями, направленными на контроль выбросов в дизельном двигателе. «За последние два года мы добились больших успехов в разработке нового поколения каталитических нейтрализаторов выхлопных газов для снижения выбросов в дизельном двигателе», — сказал Вонг. «Если новые катализаторы справятся с выбросами, исследовательское сообщество сможет оптимизировать дизельный двигатель для повышения топливной экономичности».

Исследователи из штата Айова выводят контроль за выбросами дизельных двигателей на новый уровень, запуская двигатели на биовозобновляемом топливе, чтобы достичь, возможно, самого близкого к «зеленому бензину», как это было в автомобильной промышленности. В процессе, называемом быстрым пиролизом, исследователи могут преобразовывать твердую биомассу в своего рода бионефть, свойства которой отличаются от свойств обычного топлива на основе нефти. «Это исследование находится в стадии разработки», — говорит Конг. «Двигатель и его соответствующие функции управления должны быть переработаны и перенастроены для использования биовозобновляемого топлива».

Инженеры, занимающиеся двигателями внутреннего сгорания, согласны с тем, что существуют практические ограничения для контроля CO ₂ в системах, сжигающих углеродсодержащее топливо, и указывают на роль других исследовательских программ, направленных на повышение эффективности использования топлива и снижение количества граммов CO ₂ , выбрасываемых в атмосферу. пройдена миля. Исследователи из таких организаций, как SwRI и Национальная лаборатория Sandia Министерства энергетики США, сотрудничают с автомобильными компаниями в области передовых технологий трансмиссии и новых материалов для снижения веса конструкции, а также других инициатив, направленных на повышение эффективности использования топлива.

Вызовы EV

В то время как исследования двигателей внутреннего сгорания продолжаются, многие люди делают ставку на то, что электромобили могут создать процветающий рынок, и введение Volt и Leaf представляет собой шаг в направлении сокращения выбросов углерода в транспортном секторе. Тем не менее, электромобиль должен преодолеть упрямые барьеры стоимости и производительности, чтобы завоевать популярность у широкой публики. Стоимость батареи для электромобиля составляет от 10 000 до 15 000 долларов США, и это для источника питания, обеспечивающего запас хода всего около 55 миль. Учитывая ограниченный запас хода, батареи потребуют частой подзарядки, что затруднительно для автомобилиста, выезжающего далеко от дома, поскольку инфраструктуры для обслуживания электромобилей пока не существует.

Пока бизнес электромобилей не решит эти проблемы, кажется, что проверенный и надежный двигатель внутреннего сгорания, по крайней мере, в течение следующих нескольких лет, не пойдет по пути хромированных бамперов и хвостовых плавников.

За последние два года мы добились больших успехов в разработке нового поколения каталитических нейтрализаторов выхлопных газов для снижения выбросов в дизельном двигателе. Виктор Вонг, главный научный сотрудник Слоанской автомобильной лаборатории Массачусетского технологического института.

Двигатели внутреннего сгорания на водороде и водородные топливные элементы

Отдел новостей Cummins: Наши инновации, технологии и услуги

27 января 2022 г. Джим Небергалл, генеральный директор подразделения водородных двигателей

Правила, ограничивающие выбросы парниковых газов (ПГ) от автомобилей, ужесточаются во всем мире. При этом все больший интерес вызывают как водородные двигатели, так и водородные топливные элементы.

Учитывая, что грузовики средней и большой грузоподъемности являются основным источником выбросов CO ₂ , путь транспортного сектора к нулевой точке назначения включает обе технологии.

По мере того, как все больше производителей грузовиков пополняют ряды автомобильных компаний, разрабатывающих альтернативу бензиновым и дизельным автомобилям, не содержащую CO ₂ или нейтральную по отношению к CO ₂ , давайте рассмотрим сходства и различия между водородными двигателями и топливными элементами.

 

Водородные двигатели и топливные элементы: сходства и различия в том, как они работают?

Как водородные двигатели внутреннего сгорания, так и водородные топливные элементы могут приводить в движение транспортные средства, использующие водород, топливо с нулевым содержанием углерода.

Водородные двигатели сжигают водород в двигателе внутреннего сгорания точно так же, как бензин используется в двигателе. Водородные двигатели внутреннего сгорания (водородный ДВС) почти идентичны традиционным двигателям с искровым зажиганием. Вы можете прочитать больше о том, как работают водородные двигатели, если интересно.

Водородные автомобили на топливных элементах (FCEV) вырабатывают электричество из водорода в устройстве, известном как топливный элемент, и используют это электричество в электродвигателе, подобно электромобилю.

 

Водородные двигатели и топливные элементы: дополнительные варианты использования

Водородные двигатели и водородные топливные элементы предлагают дополнительные варианты использования.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, наиболее эффективны при высокой нагрузке, то есть когда они работают интенсивнее. FCEV, напротив, наиболее эффективны при более низких нагрузках. Вы можете прочитать больше примеров использования водородных двигателей в мобильности и транспорте. Они варьируются от тяжелых грузовиков до строительства.

Таким образом, для тяжелых грузовиков, которые, как правило, тратят большую часть своего времени на перевозку самых больших грузов, которые они могут тянуть, двигатели внутреннего сгорания обычно являются идеальным и эффективным выбором. С другой стороны, транспортные средства, которые часто работают без груза, например, эвакуаторы или автобетоносмесители, могут быть более эффективными с топливными элементами. Электромобили на топливных элементах также могут получать энергию за счет рекуперативного торможения в очень неустойчивых рабочих циклах, что повышает их общую эффективность.

Водородные двигатели также могут работать как автономные силовые агрегаты и справляться с переходными процессами без необходимости использования аккумуляторной батареи. Топливные элементы в сочетании с аккумуляторными батареями также могут добиться того же.

 

Водородные двигатели и топливные элементы: сходство выбросов

Водородные двигатели и водородные топливные элементы также имеют схожие характеристики выбросов.

FCEV вообще не производят никаких выбросов, кроме водяного пара. Это очень привлекательная функция для транспортных средств, работающих в закрытых помещениях или помещениях с ограниченной вентиляцией.

Водородные двигатели почти не выделяют следовые количества CO ₂ (из окружающего воздуха и смазочного масла), но могут производить оксиды азота или NOx. В результате они не идеальны для использования внутри помещений и требуют дополнительной обработки выхлопных газов для снижения выбросов NOx.

 

Водородные двигатели и топливные элементы: вопросы использования водородного топлива

Да, и водородные двигатели, и топливные элементы используют водородное топливо; но в этой истории есть еще кое-что.

Водородные двигатели часто могут работать на водороде более низкого качества. Это становится удобным для конкретных случаев использования. Например, у вас может быть участок, на котором можно производить водород с использованием парового риформинга метана и улавливания и хранения углерода (CCS). Затем этот водород можно использовать в водородных двигателях без необходимости очистки.

Устойчивость водородного двигателя к примесям также удобна для транспортной отрасли, где переход на высококачественный экологически чистый водород потребует времени.

 

Водородные двигатели и топливные элементы: разные уровни зрелости

Наконец, водородные двигатели и технологии водородных топливных элементов имеют разные уровни зрелости.

Двигатели внутреннего сгорания широко используются на протяжении десятилетий и поддерживаются обширной сервисной сетью. Надежные двигатели, которые могут работать в пыльной среде или подвергаться сильным вибрациям, доступны во всех размерах и конфигурациях.

С точки зрения производителей транспортных средств и операторов автопарка, переход на трансмиссии с водородными двигателями включает знакомые детали и технологии. Конечные пользователи, не склонные к риску, найдут утешение в испытанном и надежном характере двигателей внутреннего сгорания.

Так что на самом деле FCEV и водородные ДВС не конкурируют друг с другом. Наоборот, развитие одного поддерживает развитие другого, поскольку оба являются движущей силой развития общей инфраструктуры производства, транспортировки и распределения водорода. Оба также включают одни и те же резервуары для хранения транспортных средств. Это дополняющие друг друга технологии, которые являются частью сокращения выбросов транспортных средств и транспортных средств в направлении нулевой точки назначения уже сейчас.
 

 


Никогда не пропустите последние новости и будьте впереди. Зарегистрируйтесь ниже, чтобы получать последние новости о технологиях, продуктах, отраслевых новостях и многом другом.

Теги

Водород

Бизнес-сегмент двигателей

Устойчивое развитие

Тяжелые грузовики

Никогда не пропустите последние новости

Будьте в курсе последних новостей о новых технологиях, продуктах, отраслевых тенденциях и новостях.

Адрес электронной почты

Компания

Присылайте мне последние новости (отметьте все подходящие варианты):

Грузоперевозки

Автобус

Пикап

Строительство

Сельское хозяйство

Джим Небергалл (Jim Nebergall) — генеральный менеджер направления водородных двигателей в компании Cummins Inc. и возглавляет глобальные усилия компании по коммерциализации двигателей внутреннего сгорания, работающих на водороде. Водородные двигатели внутреннего сгорания — важная технология на ускоренном пути компании к обезуглероживанию.

Джим пришел в Cummins в 2002 году и занимал многочисленные руководящие должности в компании. В последнее время Джим был директором по стратегии и управлению продуктами в североамериканском бизнесе по производству двигателей для шоссейных дорог. Джим увлечен инновациями и посвятил свою карьеру в Cummins развитию технологий, улучшающих окружающую среду. Он расширил границы инноваций, ориентированных на клиента, чтобы позиционировать Cummins как ведущего поставщика силовых агрегатов, управляя портфелем, начиная от передовых дизельных и газовых двигателей до гибридных силовых агрегатов.

Джим окончил Университет Пердью со степенью бакалавра в области электротехники и вычислительной техники. В 2007 году он получил степень магистра делового администрирования в Университете Индианы.

Отдел новостей Cummins: Наши инновации, технологии и услуги

13 сентября 2022 г. от Cummins Inc., мирового лидера в области энергетических технологий

Девяносто процентов американского бизнеса составляют малые и средние предприятия. Они являются настоящими двигателями нашей экономики, в которых работают миллионы рабочих. Поскольку многие из них ищут новые способы расширения своих услуг, получения дохода и развития своего бизнеса, домашние резервные и портативные генераторы Cummins могут стать новым источником дохода.

Серебряная подкладка в темных облаках

По данным Associated Press, за последние два десятилетия количество отключений электроэнергии из-за неблагоприятных погодных условий удвоилось, что создает нагрузку на стареющую энергосистему нашей страны. Это привело к увеличению частоты и продолжительности отключений электроэнергии. Эти частые отключения создают потребность в надежном резервном питании для домашних хозяйств и других предприятий. А для предприимчивых предприятий малого и среднего бизнеса удовлетворение этой потребности с помощью генераторов Cummins представляет собой огромную возможность.

Какие предприятия могли бы получить наибольшую выгоду от того, чтобы стать авторизованными дилерами Cummins? Вот наша пятерка лучших:

1. Генеральные подрядчики — Когда случаются стихийные бедствия, такие как ледяные бури, ураганы, сильные ветры, лесные пожары или землетрясения, потеря электроэнергии — не единственная проблема, с которой сталкиваются клиенты. Часто бывает физическое повреждение имущества, которое необходимо отремонтировать. Когда они помогают клиентам в восстановлении, генеральные подрядчики имеют возможность оценить потребности дома или предприятия в энергии и предложить добавить домашний резервный генератор Cummins QuietConnect™. Если заказчик соглашается, генподрядчик получает не только прибыль от продажи генератора, но и работы по его установке.

2. Электрики — Хороший электрик — надежный источник информации. Мало того, что они являются экспертами в области потока электронов, они часто знают конкретные электрические схемы своих клиентов. После длительного отключения электроэнергии многих часто спрашивают: «Что вы можете сделать, чтобы у меня не отключилось электричество в следующий раз, когда электричество отключится?» Электрики, продающие и устанавливающие домашние резервные генераторы Cummins QuietConnect, могут сказать: «Да, есть». Установка домашних резервных генераторов может быть еще одной ценной услугой, которую предоставляют электрики.

3. Подрядчики по отоплению и охлаждению — Во время отключения электроэнергии одной из наиболее важных систем, отключенных для владельцев домов и предприятий, является их система центрального отопления и охлаждения. Нахождение без тепла или прохладного воздуха в течение длительного периода времени не только неудобно, но и может быть опасным, если температура на улице экстремально высока. Таким образом, естественно, что после восстановления энергоснабжения поиск способа сохранить систему HVAC включенной во время следующего отключения электроэнергии становится первостепенной задачей. Поскольку подрядчики по отоплению и охлаждению являются экспертами в установке больших систем в домах и на предприятиях, добавление резервных генераторов Cummins QuietConnect в дома и на предприятия является естественным способом добавить еще один центр прибыли в их бизнес.

4. Интернет-магазины — До сих пор мы обсуждали резервные генераторы. Для предприятий, которые не специализируются на постоянной установке генераторов, портативные генераторы Cummins могут приносить прибыль. Хотя портативные генераторы можно использовать во время отключения электроэнергии, они лучше подходят для небольших задач благодаря своей портативности. Это делает их идеальными для кемпинга, парковки, строительства и многого другого. Благодаря прочной и надежной репутации Cummins наши портативные генераторы идеально подходят для розничных продавцов, ориентированных на эти сегменты рынка.

5. Монтажники солнечных панелей — Большинство домашних солнечных панелей подключаются непосредственно к электросети. Таким образом, когда электричество отключается, солнечные батареи перестают обеспечивать электроэнергию. В качестве резервного источника электроэнергии установщики солнечных панелей могут либо установить резервную солнечную батарею, которая заряжается от солнечных панелей, либо домашний резервный генератор. Как правило, резервные солнечные батареи могут питать дом только в течение нескольких часов, поэтому, если район подвержен перебоям в работе из-за погодных условий, лучшим выбором будет домашний резервный генератор, такой как Cummins QuietConnect.

Время пришло

Сейчас, когда все больше людей ищут источники резервного питания, самое время расширить предложения вашей компании, став авторизованным дилером Cummins. Чтобы узнать больше, посетите веб-сайт cummins.com/partners/dealers.

Теги

Генераторы

Производство электроэнергии

Домашний и малый бизнес Дилеры

Отдел новостей Cummins: Наши инновации, технологии и услуги

26 августа 2022 г. от Cummins Inc., мирового лидера в области энергетических технологий

Тепловые волны, которые вызывают чрезмерный спрос на электроэнергию… засухи, которые делают гидроэнергетику менее доступной… электрические сети вблизи активных лесных пожаров отключаются в целях безопасности… стареющие, перегруженные электрические сети… сильные ветры, обрывающие линии электропередач… все это причины, по которым некоторые части страны могут столкнуться с плановыми отключениями электроэнергии в этом году.

Если вы живете в районе, подверженном постоянным отключениям электроэнергии, вот несколько советов, которые помогут вам подготовить свою семью к ним: 

• Подпишитесь на уведомления от местной электроэнергетической компании. — Если эта услуга доступна в вашей местной коммунальной службе, она может дать вам предупреждение о начале подготовки до отключения электроэнергии.
• Загрузите наш контрольный список Power Outage Ultimate — он содержит подробную информацию о том, что делать до, во время и после отключения электроэнергии. Он даже показывает вам, что делать для детей, домашних животных и членов семьи с медицинскими потребностями. Вы можете скачать это здесь.
• Складируйте нескоропортящиеся продукты и воду. — Убедитесь, что у вас также есть ручной консервный нож. Планируйте, чтобы еды хватило на всех, чтобы ваша семья могла пить воду и питаться во время отключения электричества.
• Приготовьте или купите лед и холодильники — Если у вас достаточно предупреждений, сделайте или купите лед, чтобы вы могли упаковать скоропортящиеся продукты в холодильники и сохранить их. (Холодильник будет поддерживать внутреннюю температуру около четырех часов, морозильник — около 48 часов.) 
• Купить фонарики и запасные батарейки — Блэкауты могут быть, ну, черные. Фонарики можно использовать для безопасности, если вам нужно передвигаться ночью, но используйте их экономно. Убедитесь, что у вас достаточно для каждого члена семьи.
• Держите мобильные телефоны заряженными и бензобаки полными — Ваши телефоны и транспортные средства — ваши спасательные пути во внешний мир. Если у вас есть электромобиль, убедитесь, что он полностью заряжен.
• Потренируйтесь открывать гаражные ворота вручную — Если вам нужно куда-то ехать, сначала нужно уметь вытаскивать машину из гаража.
• План для лекарств, требующих охлаждения — Возможно, вам придется хранить их в холодильнике, как и ваши охлажденные продукты, до тех пор, пока электричество не вернется.
• Инвестируйте в резервный генератор для всего дома — Для полного спокойствия рассмотрите один из домашних резервных генераторов Cummins QuietConnect™. В случае отключения электроэнергии ваш генератор автоматически включится и обеспечит питание вашего дома.
• Установка детекторов угарного газа с резервными батареями — Разместите их в центральных местах на каждом этаже, чтобы при попадании угарного газа в дом вы были немедленно предупреждены.

Веерные отключения электроэнергии становятся все более и более распространенным явлением. К счастью, есть способы планировать заранее и не допустить, чтобы они полностью разрушили вашу жизнь. Чтобы узнать о различных способах, которыми Cummins может помочь вашей семье сохранить электричество во время плановых отключений электроэнергии, посетите нас по адресу cummins.com/na/generators/home-standby/whole-house-and-portable или найдите местного дилера cummins. .com/na/generators/home-standby/find-a-dealer.

Теги

Домашние генераторы

Дом и малый бизнес

Отдел новостей Cummins: Наши инновации, технологии и услуги

08 августа 2022 г. от Cummins Inc., мирового лидера в области энергетических технологий

По мере ужесточения норм выбросов компания Cummins Turbo Technologies (CTT) стремится помочь клиентам сократить выбросы и повысить экономию топлива с помощью новых инновационных технологий обработки воздуха.

Благодаря 70-летнему опыту инноваций и надежности, CTT и Holset представили широкий спектр ведущих в отрасли технологий обработки воздуха. В 2021 году CTT выпустила турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT) 7-го поколения серии 400, чтобы помочь производителям двигателей соответствовать будущим стандартам выбросов и обеспечить лучшую в своем классе экономию топлива. В Cummins инновации никогда не прекращаются, поскольку мы продолжаем совершенствовать наши текущие технологии, одновременно разрабатывая новые. Помня об этой философии, CTT сейчас готовится представить HE400VGT 8-го поколения. Он специально разработан для обеспечения максимальной производительности, надежности и долговечности для рынка тяжелых грузовиков объемом 10–15 л.

Компания CTT значительно улучшила характеристики турбонагнетателя благодаря своему последнему поколению продуктов. Турбокомпрессор 8-го поколения будет иметь улучшенную на 5% эффективность по сравнению с предыдущим турбокомпрессором 7-го поколения.

В дополнение к улучшенной эффективности турбокомпрессора, которая помогает клиентам уменьшить размер двигателя, HE400VGT будет иметь лучшую переходную характеристику, повышенную устойчивость к утечке масла со стороны компрессора и двойное снабжение ключевыми компонентами для гибкости цепочки поставок.

Ключевые особенности Holset HE400VGT включают новую систему подшипников и почти нулевые зазоры для улучшения характеристик и переходных характеристик. Эти усовершенствования достигаются за счет более узких зазоров на ступени компрессора, меньшего радиального смещения на ступени турбины, улучшенной обработки поверхности и новых аэродинамических конструкций.

Этот турбокомпрессор, выпуск которого запланирован на 2024 год, включает в себя интеллектуальный электрический привод нового поколения и датчик скорости с новейшим набором микросхем для повышения производительности и долговечности. Стратегия двойного сорсинга помогает смягчить любой непредвиденный дефицит электроники, от которого в последнее время страдает отрасль.

Помимо повышения производительности, турбокомпрессор последнего поколения обеспечит лучшую в своем классе производительность для большегрузных дорожных грузовиков в сочетании с улучшенной топливной экономичностью в ключевых точках движения автомобиля.

«Компания CTT внедрила потрясающие новые технологии в наш последний двигатель HE400VGT, чтобы помочь покупателям двигателей соответствовать строгим требованиям по выбросам и снизить общую стоимость владения», — сказал Мэтью Франклин, директор по управлению продуктами и маркетингу. По мере того, как клиенты разрабатывают свои стратегии в отношении будущих норм выбросов, CTT продолжает опираться на успех предыдущих запусков турбокомпрессоров, чтобы поставлять инновационные продукты, которые отвечают требованиям разработки двигателей наших клиентов без ущерба для производительности.

Хотите узнать больше о продуктах и ​​технических инновациях CTT? Подпишитесь на нашу ежеквартальную рассылку сегодня.

Метки

Компоненты

Cummins Turbo Technologies

Устойчивое развитие

Отдел новостей Cummins: Наши инновации, технологии и услуги

21 июля 2022 г. от Cummins Inc., мирового лидера в области энергетических технологий

Мастерский ход инженеров Cummins в Австралии и США привел к значительному сокращению затрат и экологическим преимуществам для горнодобывающих компаний, решивших восстановить свои двигатели QSK60 в рамках специальной программы модернизации.

Инженеры сосредоточились на возможностях восстановления QSK60 раннего поколения и на том, как его можно было бы модернизировать до новейшей дизельной технологии во время капитального ремонта без серьезных изменений базовой конструкции 60-литрового двигателя V16 — подвиг, который ускользал от других производителей двигателей.

Ключевой технологической модернизацией является впрыск топлива с заменой ранней системы насос-форсунки (HPI) на модульную систему Common Rail высокого давления (MCRS), которая теперь используется во всех высокомощных двигателях Cummins последнего поколения.

300-й модернизированный двигатель мощностью 2700 л.с. недавно сошел с конвейера в Центре капитального ремонта Cummins Master Rebuild Center в Брисбене, подчеркнув еще один успешный шаг в эволюции QSK60 и почему это передовой дизельный двигатель высокой мощности в мире. в мобильном майнинговом оборудовании.

«Снижение расхода топлива и увеличение срока службы до капитального ремонта являются ключом к снижению совокупной стоимости владения, и они были первоначальными целями разработки программы модернизации для QSK60», — говорит Грег Филд, менеджер по развитию горнодобывающего бизнеса Cummins. Азиатско-Тихоокеанский регион.

«Инновации лежат в основе долгой истории Cummins, и они, безусловно, сыграли свою роль в вариантах восстановления QSK60, которые мы можем предложить нашим заказчикам из горнодобывающей отрасли».

Итог впечатляет: выбросы твердых частиц в дизельном топливе сокращаются на 63 % благодаря технологии сгорания в цилиндрах без дополнительной обработки. Также есть плюс для технического обслуживания с меньшим содержанием сажи в масле.

Экономия топлива до 5 % постоянно регистрируется в полевых условиях для значительного сокращения выбросов парниковых газов, в то время как срок службы до капитального ремонта увеличивается на 10 %, что соответствует расходу топлива более 4,0 миллионов литров до того, как потребуется капитальный ремонт.

Помимо модернизации топливной системы до MCRS, модель QSK60 с одноступенчатым турбонаддувом также оснащена другими инновациями Cummins в области технологии сгорания, разработанными для соответствия требованиям стандартов на выбросы загрязняющих веществ Tier 4 Final и Stage V, самых строгих в мире стандартов на выбросы загрязняющих веществ для внедорожной техники. .

Пакет модернизации может быть применен к двум вариантам QSK60 – один с одноступенчатым турбонаддувом (известный как «Advantage») мощностью от 1785 до 2700 л.с., другой с двухступенчатым турбонаддувом, который может быть мощностью 2700, 2850 или 3000 л. с.

300-й модернизированный QSK60 отправлен компании Boggabri Coal в бассейн Ганнеда штата Новый Южный Уэльс для установки на самосвал Komatsu 930E. Двигатель хорошо зарекомендовал себя при добыче угля и железной руды в Австралии.

Метки

Горное дело

Двигатели внутреннего сгорания | Создание двадцатого века: технические инновации 1867-1914 гг. и их долговременное влияние

Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСотворение двадцатого века: технические инновации 1867-1819 гг.14 и их долгосрочное влияниеЭкономическая историяКнигиЖурналы Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСоздание двадцатого века: технические инновации 1867-1914 гг. и их долгосрочное влияниеЭкономическая историяКнигиЖурналы Термин поиска на микросайте

Расширенный поиск

• Иконка Цитировать Цитировать

• Разрешения

• Делиться
  • Твиттер
  • Подробнее

CITE

Smil, Vaclav,

‘Двигатели внутреннего сжигания

,

Создание двадцатого века: технические инновации 1867-1914 и их длительный удар

(

, Нью-Йорк,

2005;

(

,

2005; онлайн-издание,

Oxford Academic

, 14 июля 2005 г.

), https://doi.org/10.1093/0195168747.003.0003,

по состоянию на 23 сентября 2022 г.

Выберите формат Выберите format.ris (Mendeley, Papers, Zotero).enw (EndNote).bibtex (BibTex).txt (Medlars, RefWorks)

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСоздание двадцатого века: технические инновации 1867-1914 гг. и их долгосрочное влияниеЭкономическая историяКнигиЖурналы Термин поиска мобильного микросайта

Закрыть

Фильтр поиска панели навигации Oxford AcademicСоздание двадцатого века: технические инновации 1867-1914 гг. и их долгосрочное влияниеЭкономическая историяКнигиЖурналы Термин поиска на микросайте

. Соединенные Штаты. Бензиновые двигатели с циклом Отто стали доминирующими двигателями в легковых автомобилях, а также в первых самолетах, в то время как дизельные двигатели первоначально использовались только в тяжелых морских и железнодорожных условиях. Поточная сборка, введенная Генри Фордом, обеспечила долгосрочное решение для массового производства. Автомобильная промышленность со временем стала ведущим сектором современной экономики, а автомобильная культура оказала глубокое влияние на многие аспекты современной жизни.

Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, цикл Отто, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, легковые автомобили, Генри Форд, массовое производство, автомобильная промышленность, автомобильная культура

Предмет

Экономическая история

В настоящее время у вас нет доступа к этой главе.

Войти

Получить помощь с доступом

Получить помощь с доступом

Доступ для учреждений

Доступ к контенту в Oxford Academic часто предоставляется посредством институциональных подписок и покупок. Если вы являетесь членом учреждения с активной учетной записью, вы можете получить доступ к контенту одним из следующих способов:

Доступ на основе IP

Как правило, доступ предоставляется через институциональную сеть к диапазону IP-адресов. Эта аутентификация происходит автоматически, и невозможно выйти из учетной записи с IP-аутентификацией.

Войдите через свое учреждение

Выберите этот вариант, чтобы получить удаленный доступ за пределами вашего учреждения. Технология Shibboleth/Open Athens используется для обеспечения единого входа между веб-сайтом вашего учебного заведения и Oxford Academic.

1. Нажмите Войти через свое учреждение.
2. Выберите свое учреждение из предоставленного списка, после чего вы перейдете на веб-сайт вашего учреждения для входа.
3. Находясь на сайте учреждения, используйте учетные данные, предоставленные вашим учреждением. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
4. После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если вашего учреждения нет в списке или вы не можете войти на веб-сайт своего учреждения, обратитесь к своему библиотекарю или администратору.

Войти с помощью читательского билета

Введите номер своего читательского билета, чтобы войти в систему. Если вы не можете войти в систему, обратитесь к своему библиотекарю.

Члены общества

Доступ члена общества к журналу достигается одним из следующих способов:

Войти через сайт сообщества

Многие общества предлагают единый вход между веб-сайтом общества и Oxford Academic. Если вы видите «Войти через сайт сообщества» на панели входа в журнале:

1. Щелкните Войти через сайт сообщества.
2. При посещении сайта общества используйте учетные данные, предоставленные этим обществом. Не используйте личную учетную запись Oxford Academic.
3. После успешного входа вы вернетесь в Oxford Academic.

Если у вас нет учетной записи сообщества или вы забыли свое имя пользователя или пароль, обратитесь в свое общество.

Вход через личный кабинет

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам. Смотри ниже.

Личный кабинет

Личную учетную запись можно использовать для получения оповещений по электронной почте, сохранения результатов поиска, покупки контента и активации подписок.

Некоторые общества используют личные аккаунты Oxford Academic для предоставления доступа своим членам.

Просмотр ваших зарегистрированных учетных записей

Щелкните значок учетной записи в правом верхнем углу, чтобы:

• Просмотр вашей личной учетной записи и доступ к функциям управления учетной записью.
• Просмотр институциональных учетных записей, предоставляющих доступ.

Выполнен вход, но нет доступа к содержимому

Oxford Academic предлагает широкий ассортимент продукции. Подписка учреждения может не распространяться на контент, к которому вы пытаетесь получить доступ. Если вы считаете, что у вас должен быть доступ к этому контенту, обратитесь к своему библиотекарю.

Ведение счетов организаций

Для библиотекарей и администраторов ваша личная учетная запись также предоставляет доступ к управлению институциональной учетной записью. Здесь вы найдете параметры для просмотра и активации подписок, управления институциональными настройками и параметрами доступа, доступа к статистике использования и т. д.

Покупка

Наши книги можно приобрести по подписке или приобрести в библиотеках и учреждениях.

Информация о покупке

Интеллектуальное использование двигателей внутреннего сгорания в гибридных электромобилях

• Панель авторов Авторизация

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы представляем собой сообщество из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь:

Карьера

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Открытый доступ

Автор:

Тереза ​​Донатео

Подано: 5 ноября 2011 г. Опубликовано: 14 ноября 2012 г.

DOI: 10.5772/48120

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Из отредактированного тома

Под редакцией Казимежа Лейды и Павла Воса

Подробная информация о книге Заказать Печать

Обзор показателей главы

2 271 загрузка глав

Просмотреть полные показатели

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Рекламное объявление

1.

Введение

С начала 1900-х годов бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания представляли собой наиболее успешные автомобильные силовые системы, несмотря на их низкий КПД, проблемы с выбросами и растущую стоимость топлива. Их основным преимуществом как перед газовыми двигателями, так и перед аккумуляторными электромобилями (BEV) является очень высокая плотность энергии жидкого топлива, которая обеспечивает большой запас хода с небольшими (и легкими) резервуарами для хранения и безопасными и быстрыми процессами дозаправки. Более того, бензин и дизельное топливо имеют устоявшуюся инфраструктуру распределения, которую сложно и очень дорого воспроизвести для других источников энергии.

Экологические проблемы, энергетические кризисы, опасения по поводу пикового потребления нефти и ожидаемого увеличения количества автомобилей в развивающихся странах в конечном итоге стимулировали исследования альтернативных источников энергии. Однако они по-прежнему не могут проникнуть на рынок из-за ряда технологических ограничений.

Главный недостаток электромобилей — аккумуляторы. Они все еще слишком дороги, слишком громоздки и тяжелы (из-за их низкой плотности энергии). Кроме того, они имеют неудовлетворительный жизненный цикл и требуют длительного времени перезарядки. Транспортные средства, использующие топливные элементы (FCV) — очень чистую систему преобразования топлива, имеют еще больший технологический недостаток. Они добавляют к проблемам BEV использование очень легкого газообразного топлива, которое имеет серьезные ограничения с точки зрения производственного процесса, системы хранения, безопасности и инфраструктуры распределения. Таким образом, их не следует рассматривать как жизнеспособный способ экомобильности в ближайшем будущем (Немецкий, 2003 г.).

Гибридные электромобили характеризуются наличием двух разных типологий систем накопления энергии: обычно это батарея и бак для бензина или дизельного топлива. HEV не имеют ограничений по дальности по сравнению с обычным транспортным средством и используют существующую распределительную инфраструктуру. Основными преимуществами HEV являются: гибкость в выборе рабочей точки двигателя, которая позволяет двигателю работать в области его высокой эффективности, и возможность уменьшения размера ДВС и, таким образом, получения более высокого среднего КПД. Кроме того, двигатель может быть выключен, когда транспортное средство остановлено (например, на светофоре) или запрос мощности очень низок (уменьшение потерь на холостом ходу).

PHEV можно рассматривать либо как BEV, которые могут работать в гибридном режиме, когда уровень заряда (SOC) аккумуляторов низкий, либо как HEV с батареями, которые можно заряжать от электросети. Они характеризуются использованием гораздо большего аккумуляторного блока по сравнению со стандартными гибридными автомобилями. Размер батареи влияет на полный запас хода на электротяге (AER), важный конструктивный параметр PHEV, который определяется как количество миль, которые они могут проехать в чисто электрическом режиме по циклу UDDS. Транспортное средство классифицируется как PHEVXY, если его AER составляет XY миль.

PHEV требуют меньше заправок на заправочной станции, чем обычные автомобили, и имеют преимущество по сравнению с гибридным электромобилем в возможности подзарядки дома.

BEV, HEV и PHEV также могут частично восстанавливать энергию от тормозов путем инвертирования потока энергии от аккумуляторов к колесам через электрическую машину.

Simpson, 2006 представил сравнение затрат (затраты на покупку автомобиля и затраты на электроэнергию) и выгод (снижение потребления бензина) PHEV по сравнению с HEV и обычными автомобилями. На основе своей модели Симпсон обнаружил, что PHEV могут снизить расход бензина на транспортное средство. В частности, снижение потребления бензина более чем на 45% может быть достигнуто с использованием конструкции PHEV20 или выше (т. е. транспортных средств, содержащих достаточно полезной энергии, хранящейся в их аккумуляторной батарее, чтобы проехать более 20 миль (32 км) по циклу UDDS в электрическом режиме в соответствии с к предыдущему определению AER).

В исследовании Симпсона, 2006 г. подчеркнуто, что с экономической точки зрения PHEV могут стать конкурентоспособной технологией, если стоимость бензина будет продолжать расти, а стоимость аккумуляторов будет снижаться.

Из-за различных характеристик нескольких источников энергии экономия топлива и воздействие гибридных автомобилей на окружающую среду в основном зависят от правильной стратегии управления питанием. Конкретная операционная стратегия, используемая в этом типе транспортных средств, значительно влияет на характеристики компонентов и ценность технологии PHEV (Gonder et al. 2007).

Вообще говоря, воздействие экологического транспортного средства на окружающую среду должно определяться методом «от скважины до колеса» (WTW). С точки зрения «от бака до колеса» (TTW) BEV или PHEV, работающие в электрическом режиме, не производят ни загрязняющих веществ, ни парниковых газов, в то время как выбросы загрязняющих веществ и CO ₂ в процессах WTW зависят от первичного источник и технология, используемая для выработки электроэнергии в сети. Выбросы CO ₂ FCV могут быть равны выбросам автомобиля с дизельным двигателем, если он использует водород, произведенный из невозобновляемых источников энергии (Guzzella and Sciaretta, 2007).

В гибридном автомобиле локальные выбросы CO ₂ и загрязняющих веществ сильно зависят от стратегии управления, используемой для ДВС, что становится основной проблемой как для HEV, так и для PHEV.

Объявление

2. Классификация гибридных автомобилей

Гибридные электромобили можно классифицировать по их архитектуре, режиму разряда/заряда батарей и уровню гибридизации.

Что касается архитектуры, то HEV называются «параллельными», когда в них используется бензиновый или дизельный двигатель, механически соединенный с электродвигателем на одном валу для удовлетворения потребности в мощности на колесах. Параллельный HEV может работать в пяти режимах работы (Guzzella et al, 2007): усилитель мощности (электродвигатель передает дополнительный крутящий момент на вал, когда запрос превышает доступный крутящий момент двигателя), подзарядка аккумулятора (часть мощность двигателя используется для подзарядки аккумуляторов), электрический режим (двигатель выключен), обычный автомобиль (электрический двигатель выключен) и рекуперативное торможение.

В «серийном» гибриде потребность в мощности полностью удовлетворяется электродвигателем. Электрический ток, подаваемый на двигатель, представляет собой алгебраическую сумму тока в форме аккумуляторов и тока, вырабатываемого генератором с приводом от двигателя. Серийный HEV может работать в четырех режимах (то же самое, что и параллельное транспортное средство, за исключением обычного режима, поскольку двигатель не соединен с валом).

Комбинированный гибрид, который может работать как в параллельном, так и в последовательном режимах, также был разработан и представлен на автомобильном рынке.

Традиционно в научной литературе не уделялось должного внимания серийным HEV, поскольку они менее эффективны, чем параллельные HEV, и требуют большего дополнительного веса. Более того, их управление энергопотреблением считалось тривиальным: достаточно было простого включения-выключения двигателя. Однако растущий интерес к автомобилям с подключаемым модулем дал новый импульс исследованиям передовых стратегий управления для серийных архитектур.

Существует два возможных способа регулирования энергопотребления гибридных автомобилей с батареями. Первый (режим разрядки заряда, CD) допускает полную разрядку аккумуляторов во время миссии. В этом режиме SOC батареи может увеличиваться или уменьшаться во времени, но имеет тенденцию к уменьшению по ходу миссии. Этот подход можно рассматривать только для автомобилей с подключаемым модулем. Второй (режим поддержания заряда, CS) пытается поддерживать аккумулятор всегда заряженным, чтобы не влиять на автономность автомобиля. SOC может увеличиваться или уменьшаться во времени, но имеет тенденцию к нарушению основной константы во время миссии (для последовательных и параллельных HEV, что невозможно для BEV).

PHEV обычно работает в режиме CD без использования двигателя до достижения заданной нижней границы SOC, после чего применяется стратегия CS. Другая возможность заключается в постепенной разрядке аккумулятора на протяжении всей поездки, как в так называемом смешанном режиме управления (Tulpule et al. , 2009).

Это делает PHEV более сложным, более зависимым от трафика и информации о маршруте и более эффективным, чем HEV стандартной серии.

Другой важной классификацией гибридов является степень гибридизации. 9Микрогибриды 0695 достаточно похожи на обычные автомобили, от которых отличаются наличием чуть большей батареи и чуть более мощным электродвигателем, которые позволяют глушить двигатель при остановке автомобиля на перекрестках и затем снова включается при движении транспортных средств. Эта система, названная Start&Stop, в настоящее время используется несколькими автомобильными компаниями для соответствия стандарту Euro V. Не требует повышения напряжения электрических систем. Увеличение стоимости и сложности довольно незначительно, как и возможность снижения расхода топлива. Путем дальнейшего увеличения электрической мощности и напряжения можно восстановить энергию торможения (+5-10% экономии топлива, Чан, 2007). Если мощность электродвигателя увеличивается, двигатель внутреннего сгорания может быть уменьшен, а электродвигатель используется для увеличения мощности отмычки с помощью логики Power Assist. Это случай 9Мягкие гибриды 0695 (такие как Honda Civic и Honda Insight), которые могут увеличить экономию топлива на 20-30% (Chan, 2007) при аналогичном увеличении стоимости. Мягкие гибриды обычно не могут работать на полном электроприводе, как , полные гибриды . Полные гибриды могут обеспечить экономию топлива на 40-50% выше, чем у обычного автомобиля. (Chan, 2007) Они работают с очень высоким напряжением, чтобы принять наибольшую электрическую мощность. Их можно подразделить на Synergy Hybrids и Power Hybrids. Первые предназначены для максимальной экономии топлива (двигатель уменьшенного размера), а вторые используют электродвигатель для увеличения доступного крутящего момента (без уменьшения размера).

Наконец, термин Расширитель диапазона используется для обозначения серийных гибридных автомобилей, в которых небольшая группа двигатель-генератор используется только для подзарядки аккумулятора, когда их SOC слишком низок.

2.1. Проектирование и управление двигателями внутреннего сгорания для гибридных приложений

Роль двигателя внутреннего сгорания в гибридных электромобилях (ГЭМ) сильно отличается от роли обычного автомобиля. Двигатель больше не должен проектироваться для достижения характеристик (максимальная скорость, ускорение и набор высоты), необходимых для автомобиля, но может быть уменьшен в размерах, что снижает расход топлива и выбросы парниковых газов. Более того, двигателем внутреннего сгорания можно лучше управлять, чтобы избежать операций с низкой эффективностью и высоким уровнем выбросов, таких как холостой ход, остановки автомобиля и резкие ускорения.

Текущий подход к проектированию HEV заключается в использовании двигателей внутреннего сгорания, разработанных для обычных транспортных средств. С этой точки зрения преимущество ГЭМ в экономии топлива может быть фактически сведено на нет более высокой сложностью, весом и объемом трансмиссии. Однако многие из устройств с электронным управлением, используемых в двигателе для повышения его эффективности и снижения выбросов на холостом ходу и в режиме работы с низкой скоростью и низким крутящим моментом, совершенно бесполезны в приложениях HEV. Это означает, что для гибридных приложений можно разработать более простой, легкий и менее дорогой двигатель.

Хорошо известно, что двигатели внутреннего сгорания имеют плохую экономию топлива и больше, если они работают при низкой температуре. Это особенно важно для гибридных электромобилей, поскольку они позволяют выключать двигатель на длительное время, в течение которого температура двигателя снижается. Это может привести к более высоким выбросам при холодном пуске, в частности, из-за низкой эффективности преобразования устройств последующей обработки, когда не достигается температура выключения зажигания. С другой стороны, гибридные электродвигатели позволяют управлять либо двигателем, либо устройствами доочистки, либо обоими устройствами, чтобы сократить период прогрева и улучшить их характеристики при полностью интегрированном подходе (Bayar et al., 2010). В HEV двигатель прокручивается до более высокой скорости, чем в обычных транспортных средствах, и это делает условия сгорания во время процесса запуска совершенно другими. Yu et al., 2006, исследовали влияние частоты вращения коленчатого вала на запуск/остановку бензинового двигателя для гибридных приложений. Опять же, экономия топлива и выбросы в процессе запуска двигателя зависят от стратегии управления, используемой для двигателя и двигателя.

В целях сокращения периода прогрева двигателя Lee et al., 2011 рассмотрел возможность восстановления системы теплообмена отработавших газов с охлаждающей жидкостью и маслом коробки передач одновременно. Соответственно, они разработали устройство рекуперации тепла выхлопных газов, которое выполняет интегральный теплообмен тепла выхлопных газов двигателя для повышения температуры охлаждающей жидкости и масла в коробке передач, тем самым уменьшая потери на трение и улучшая экономию топлива.

2.2. Подходы к моделям диспетчерского управления

Способность гибридного автомобиля снижать расход топлива и выбросы загрязняющих веществ в значительной степени зависит от стратегии диспетчерского управления и конкретных условий вождения. Фактически, в гибридных электромобилях система диспетчерского управления каждый раз определяет распределение мощности между системой преобразования топлива (двигатель/генератор переменного тока или топливный элемент) и системами накопления электроэнергии (аккумуляторами и/или суперконденсаторами), чтобы минимизировать расход топлива. , поддерживать заряд батареи и сокращать выбросы загрязняющих веществ. Обратите внимание, что эти цели являются конкурентоспособными, и производительность HEV сильно зависит от того, какой цели придается большее значение. В идеале оптимизация должна выполняться на протяжении всего жизненного цикла транспортного средства, даже если обычно принимается во внимание гораздо более короткий временной интервал (от небольшого количества минут до нескольких часов).

В литературе было представлено несколько подходов к оптимизации управления энергопотреблением ГЭМ (Серрао, 2009 г.). Их можно разделить на четыре категории: численная оптимизация, аналитическая теория оптимального управления, мгновенная оптимизация и методы эвристического управления.

Методы эвристического управления основаны на наборе правил, которые генерируют управляющее действие (т. е. мощность, которая должна подаваться от двух источников энергии) в соответствии со значением некоторых параметров транспортного средства, таких как скорость, ускорение, SOC батареи и т. д. Эти методы легко реализовать на транспортных средствах, но они не гарантируют минимизацию расхода топлива или выбросов и достижение поддержания заряда в конце миссии.

Численная оптимизация обычно использует динамическое программирование для оптимизации поведения транспортного средства с нереалистичным предположением о точном знании условий движения транспортного средства (Lin et al, 2003).

Альтернативой динамической программе является применение принципа Понтрягина. Этот подход предполагает, что силовой агрегат можно описать с помощью простых аналитических функций. Таким образом, это часто слишком упрощенный подход, который также требует знания ездового цикла (Anatone et al. 2005, Serrao et al. 2008).

В методе мгновенной оптимизации глобальная задача минимизации реализуется и решается как последовательность задач локальной оптимизации. Наиболее известной из этих стратегий является Стратегия минимизации эквивалентного потребления для заряженных транспортных средств. ECMS пытается минимизировать эквивалентный расход топлива, который рассчитывается как сумма в интервале времени Δt фактического расхода топлива двигателем и топливного эквивалента электроэнергии, запасенной/извлеченной из аккумуляторной батареи в интервале времени Δt. Поскольку батарея используется только в качестве буфера энергии, ее энергия в конечном счете производится за счет топлива, которое двигатель израсходовал/сэкономил в прошлом (или будет потреблять в будущем). Основной недостаток подхода заключается в том, что он требует определения эквивалентных коэффициентов при преобразовании энергии топлива в электрическую энергию и наоборот (Guzzella, Sciarretta, 2007).

Недавно Millo et al. 2011 расширил метод ECMS, включив в него выбросы двигателей. В частности, они сопоставили использование аккумулятора с эквивалентными выбросами NOx и сравнили результаты оптимизации, ориентированной на расход топлива, и оптимизации NOx с точки зрения истории состояния заряда, рабочих точек двигателя и т. д. в отношении нескольких стандартных ездовых циклов. .

Использование стандартных ездовых циклов при оптимизации стратегий управления является распространенным способом получения неоптимального регулятора, который, однако, может давать плохие результаты в реальных условиях движения.

2.3. Прогнозирование моделей вождения транспортных средств

Как объяснялось ранее, возможность оценки будущего профиля вождения (скорость и связанная с ней потребность в мощности) является ключевым вопросом при разработке гибридных транспортных средств. Фактически, управляющий контроллер HEV может использовать будущий профиль скорости для оптимизации распределения мощности в будущем временном окне, чтобы свести к минимуму расход топлива, выбросы загрязняющих веществ, использование батареи и так далее. Кроме того, информация о будущем может быть использована для включения электрообогрева двигателя и устройств доочистки. Таким образом, они будут иметь нужную температуру, когда двигатель будет включен, и поток выхлопных газов попадет в устройство доочистки.

В литературе определен ряд «автоадаптивных» методов, которые пытаются предсказать будущие условия вождения на основе прошлых. Возможный подход заключается в прогнозировании будущих условий вождения на основе прошлого поведения транспортного средства (Sciarretta et al, 2004), исходя из предположения, что будут существовать аналогичные условия эксплуатации. Но будущий профиль вождения также зависит от мгновенных решений, которые водитель примет, чтобы реагировать на физическую среду (схемы вождения). Кроме того, недавние исследования показали, что стиль вождения, тип дороги и уровень загруженности дорог существенно влияют на расход топлива и выбросы (Ericson, 2000, Ericson, 2001). По этим причинам стратегии контроля, предлагаемые в некоторых схемах (Won et al, 2005), включают в себя знание условий вождения.

В случае серийных HEV знание условий вождения, как было установлено в литературе, менее важно, чем в случае параллельных гибридов (Barsali et al., 2004).

В случае подключаемых гибридных электромобилей управление более сложное, сильно зависящее от начального значения SOC и продолжительности миссии, особенно если используются методы управления смешанным режимом. На самом деле, если бы было известно общее время поездки, наилучшие результаты были бы получены, если бы SOC достигал более низкого значения в конце поездки (Karbowski et al. 2006). Гонг и др. В 2007 году была разработана интеллектуальная транспортная система, которая использует информацию GPS, а исторические данные о дорожном движении действительно определяют схемы вождения, которые будут использоваться при оптимизации. Донатео и др. 2011 г. численно оценили, что знание ездового цикла в будущем временном окне 60-х годов может улучшить расход топлива в серии PHEV с управлением в смешанном режиме на 20%.

Реклама

3.

ИКТ и устойчивая мобильность

3.1. Интеллектуальные автомобильные технологии

По данным Гусихина и др. 2008, транспортное средство может быть определено как интеллектуальное, если оно способно ощущать свое собственное состояние и состояние окружающей среды, взаимодействовать с окружающей средой, а также планировать и выполнять соответствующие маневры. Первым применением интеллектуальных автомобильных систем стало повышение безопасности за счет оказания помощи водителю в критические моменты. Комбинация бортовых камер, радаров, лидаров, цифровых карт, связи с другими транспортными средствами или дорожными системами используется для предупреждения о выходе из полосы движения, адаптивного круиз-контроля, помощников параллельной парковки, предупреждения о столкновении, автоматического предотвращения столкновений, интеллектуальных систем парковки.

Маркел и др. В 2008 г. изучался эффект интеграции парка электрифицированных транспортных средств и электросети с целью увеличения количества возобновляемой энергии, используемой для питания электромобилей, за счет оптимизации времени и мощности процессов зарядки в течение дня. Различные протоколы связи рассматривались и сравнивались Markel et al. Интеллектуальные транспортные системы, такие как управление дорожным движением, могут оказывать прямое влияние на выбросы CO ₂ , производимые автомобильными поплавками (Dimitrakopoulos, 2011). Согласно Джаноте и соавт. 2010, Интеллектуальные транспортные системы могут снизить потребление и выбросы, воздействуя на транспортное средство (путем мониторинга и управления двигателем), на инфраструктуру (сокращение количества/продолжительность заторов и остановок, оптимизация перекрестков, совместные системы для предотвращения заторов) и на водитель (планирование экологических маршрутов на основе информации в режиме реального времени, поддержка водителя для экономичного вождения).

Недавно были предложены методы информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) для сбора информации о маршрутах транспортных средств и дорожных условиях, которые могут позволить оценить будущий запрос мощности транспортного средства в течение большого временного окна. Методы ИКТ могут использоваться для оценки будущего профиля вождения, предложения водителю поведения с низким потреблением, предложения альтернативного маршрута, сообщения местоположения и статуса станций подзарядки электромобилей и т. д. (Sciarretta et al, 2004).

Шурихт и др. В 2010 г. были проанализированы две меры активного управления энергопотреблением. Первый использует усовершенствованный светофор и системы связи для поддержки водителя при приближении к перекрестку. Второй исследует использование источников информации и датчиков из телематики дорожного движения для предиктивного онлайн-оптимального управления гибридными транспортными средствами.

3.2. Подход CAR

Роль интеллектуальных транспортных систем в улучшении характеристик PHEV и распространении электрификации транспортных средств является предметом исследования Центра автомобильных исследований Университета штата Огайо. Исходя из осознания того, что трафик, погодные и дорожные условия будут доступны в ближайшем будущем посредством связи между транспортными средствами и между транспортными средствами и инфраструктурой, исследователи из CAR подчеркивают возможность получения этой информации для адаптации настройки энергопотребления. контроллер управления в HEV, предсказывая будущий профиль вождения, сигнализируя о наличии станций подзарядки, предсказывая маршрут и генерируя статистическую информацию для изменения предварительно сохраненных карт.

В статье Tulpule et al. 2011, авторы сосредоточились на влиянии имеющихся данных на управление энергопотреблением, чтобы определить наиболее важные факторы фактического расхода топлива PHEV. Факторы, проанализированные в исследовании, названные «факторы воздействия», основаны как на информации о погоде (температура и влажность), так и на информации о дорожном движении (состояние светофоров, наличие пешеходов, дорожные события на внутригородской и междугородной трассе). Их важность для эффективности стратегии ECMS оценивалась на основе большого количества данных, полученных на автомобиле Toyota Prius, переоборудованном в режим подключаемого модуля. Подключаемый модуль Prius проехал в общей сложности 60 000 миль в районе кампуса Университета штата Огайо, и были собраны несколько параметров, таких как информация GPS, температура, расход топлива, SOC батареи и т. д., а также время и дата.

Чтобы изучить влияние моделей вождения, Gong et al. 2011 использовался статистический подход для анализа реальных профилей и получения информации о средней скорости, ограничениях скорости, длине сегмента и т. д. Эти данные использовались для построения серии эталонных ездовых циклов с использованием моделирования цепи Маркова. Результаты исследования показали, что манера вождения оказывает существенное влияние на производительность подключаемого HEV и что статистические значения ускорения оказывают наибольшее влияние на настройку стратегии ECMS.

3.3. Подход CREA

Идея CREA об интеллектуальном гибридном транспортном средстве включает в себя возможность определения условий дорожного движения, в котором оно движется, для прогнозирования будущих условий вождения (Ciccarese et al. 2010). В частности, предполагается, что транспортное средство получает информацию от GPS, бортовых датчиков и автомобильной связи. Схема интеллектуального HEV согласно исследовательскому центру CREA показана на рисунке 1.

Эта информация может использоваться на борту для моделирования трафика в заданном временном окне для прогнозирования схемы запроса мощности. в будущем и выполнить оперативную оптимизацию управления энергопотреблением в соответствии с прогнозируемой схемой мощности. Основное отличие от подхода CAR заключается в том, что предполагается, что транспортное средство способно вычислять бортовую модель условий дорожного движения, используя микроскопическую симуляцию дорожного движения, чтобы получить свой собственный будущий профиль запроса мощности и оптимизировать расход топлива, использование батареи, уровни выбросов и т. д. Этот подход требует соответствующих бортовых вычислительных возможностей, которые, по нашему мнению, могут быть доступны в ближайшем будущем для других приложений, таких как безопасность, развлечения и т. д. В качестве альтернативы, моделирование схем движения и расчет профилей скорости транспортных средств в конкретной городской зоне может выполняться центральным вычислительным блоком, который может отправлять результаты транспортным средствам, циркулирующим в этой зоне.

Рисунок 1.

Интеллектуальное гибридное транспортное средство в соответствии с подходом CREA

Серая область на рисунке 1 представляет инструменты, которые должны быть реализованы на борту. Они включают в себя систему прогнозирования, которая используется для оценки профиля скорости транспортного средства в будущем, симулятор силовой передачи, который оценивает изменение расхода топлива и SOC батареи в течение интервала прогнозирования, и оптимизатор, который используется для оптимизации параметров. стратегии контроля.

3.3.1. Блок прогнозирования

Этот блок собирает сообщения о состоянии, которые транслируются окружающими транспортными средствами и/или инфраструктурой. Сообщения, передаваемые транспортным средством, содержат информацию о состоянии, такую ​​как положение, скорость, ускорение и т. д., а также, при необходимости, некоторую информацию, относящуюся к его маршруту. Вместо этого сообщения, генерируемые инфраструктурой, содержат текущий статус и время работы светофора. Помимо информации о состоянии, полученной через автомобильную связь, система собирает информацию о состоянии «прогнозирующего транспортного средства», локально полученную с помощью GPS-приемника и/или бортовых датчиков, а также извлекает данные о дорожной сети из цифровых карт, используемых GPS. навигационное устройство.

Собранная информация используется для получения через регулярные промежутки времени моментального снимка сценария движения в данной области. Каждый снимок является входом для запуска модуля, моделирующего динамику трафика за определенный интервал времени, длительность которого не превышает горизонта прогнозирования. В Ciccarese et al. 2010 г. в качестве бортового тренажера рассматривается модифицированная версия программного обеспечения SUMO.

SUMO (Simulation of Urban MObility) — микроскопический симулятор дорожного движения с открытым исходным кодом. Входные параметры SUMO состоят из дорожной сети, характеристик каждого транспортного средства, пути (маршрута), по которому следует каждое транспортное средство, и времени работы светофора.

Транспортные средства с одинаковыми характеристиками группируются в классы и для каждого класса приводится набор механических характеристик максимальная скорость, ускорение и торможение, длина транспортного средства, масса, коэффициенты сцепления и т.д.

Дорожная сеть представлена ориентированный граф, где узлы соответствуют перекресткам, а дуги — полосам с односторонним движением. Для каждой полосы также должны быть указаны максимальная скорость, уклон и классы транспортных средств, которым разрешено движение по ней. Маршрут транспортного средства состоит из списка последовательных дуг в графе.

Используя входные данные, SUMO генерирует трассировку движения для всех транспортных средств в соответствии с моделью следования за автомобилем (Wang et al. 2001): каждое транспортное средство пытается удерживать скорость, близкую к максимально допустимой для текущей полосы движения, и замедляется, если приближается либо к перекрестку, либо к другому транспортному средству на той же полосе; в последнем случае его скорость адаптируется к скорости движущегося впереди транспортного средства.

Точность предлагаемого метода прогнозирования была проверена экспериментально (Ciccarese et al. 2012) в среде дополненной реальности для моделирования присутствия в кампусе Ecotecke определенного количества транспортных средств, способных общаться с целевым транспортным средством. Экспериментальная кампания показала, что погрешность метода прогнозирования составляет менее 4 км/ч. На рисунке 2 показано сравнение прогнозируемого и фактического профиля скорости целевого транспортного средства во временном окне 100 с. Более подробную информацию об экспериментальной кампании можно найти в Ciccarese et al. 2012.

Рисунок 2.

Пример профилей скорости, полученных в экспериментальной среде

3.3.2. Симулятор силового агрегата

Блок симулятора силового агрегата реализует модель силового агрегата. Блок обрабатывает выходные данные системы прогнозирования и вычисляет соответствующую потребляемую мощность прогнозирующего транспортного средства с учетом аэродинамической силы, вклада инерции, силы качения и силы уклона. Информация от бортовых датчиков (температура окружающей среды, состояние асфальта, давление и температура в шинах) может использоваться для корректировки прогнозируемой нагрузки. Затем блок моделирует потоки энергии в соответствии с выбранной стратегией управления энергопотреблением (описанной выше) и оценивает изменение потребления топлива и SOC батареи в течение интервала прогнозирования.

При моделировании гибридного транспортного средства обычно рассматриваются две разные парадигмы (Guzzella and Sciaretta, 2007). В обратной парадигме скорость транспортного средства является входом. В соответствии со спецификацией автомобиля и значениями скорости рассчитывается требуемая мощность на колесе. С помощью статических карт энергопотребление двигателя и аккумуляторов рассчитывается в соответствии с выбранной стратегией управления энергопотреблением. Если трансмиссия не может выполнить требования цикла, ускорение снижается, и транспортное средство отклоняется от ездового цикла.

В прямой или динамической модели мощность, запрошенная водителем через педали ускорения и торможения, используется в качестве входных данных для оценки ускорения и скорости автомобиля. Этот тип модели используется для разработки систем управления, тогда как обратный метод лучше всего подходит для анализа и оценки потока энергии и мощности в трансмиссии транспортного средства. Таким образом, в предлагаемой схеме рассматривается обратная модель.

Если ездовой цикл прогнозируется с помощью модели движения, учитывающей фактическую способность силового агрегата к ускорению и замедлению, нет необходимости проверять, может ли транспортное средство следовать заданному ездовому циклу.

3.3.3. Система управления энергопотреблением

Этот блок реализует систему диспетчерского управления, которая в каждый момент времени определяет распределение мощности между системой преобразования топлива (двигатель/генератор переменного тока в серии HEV) и системами накопления электроэнергии (как правило, батареями) с ограничениями, которые сумма мощности, извлекаемой из каждого источника энергии, должна быть равна общей мощности, требуемой на колесах.

3.3.4. Оптимизатор

Роль блока оптимизатора заключается в адаптации параметров фактической стратегии управления к будущим условиям вождения. Этот блок может быть реализован либо как оперативный оптимизатор, либо как запоминающее устройство для загрузки оптимизированных карт (Донатео и др., 2011).

3.3.5. Блоки мониторинга

В состав системы также входит блок «Мониторинг энергии», который контролирует энергетические параметры автомобиля (эффективность двигателя, уровень бензина в баке, SOC аккумулятора и т. д.) и оценивает эффективность оптимизации управления энергопотреблением. Эта оценка проводится через регулярные промежутки времени, равные горизонту прогнозирования.

Другой блок с именем Точность прогноза оценивает ошибку прогноза (на основе сравнения фактического профиля скорости, оцененного GPS, и профиля, оцененного системой прогнозирования). Выходные данные блока точности прогнозирования можно использовать для запуска нового прогона прогнозирования.

Реклама

4. Тестовый пример: ITAN500

Чтобы оценить эффективность подхода CREA в снижении расхода топлива подключаемого гибридного электромобиля, было проведено численное исследование в отношении ITAN500.. ITAN500 a четыре Прототип колесного транспортного средства размером с большой скутер. ITAN500 можно классифицировать как PHEV40, потому что его полностью электрический запас хода составляет 40 миль по циклу UDDS.

Транспортное средство было разработано для достижения максимальной скорости 90 км/ч в гибридной конфигурации при массе около 800 кг. Принимая во внимание общее передаточное число (1/3,46), двигатель постоянного тока был выбран для создания крутящего момента около 27 Нм при скорости 3560 об/мин. Набор из шести последовательно соединенных свинцово-кислотных аккумуляторов используется для получения номинального напряжения 72 В, необходимого для питания электродвигателя. Выбор свинцово-кислотных аккумуляторов был обусловлен необходимостью снижения стоимости автомобиля. Однако в настоящее время рассматриваются другие типы батарей.

Небольшой бензиновый двигатель с максимальной мощностью 9,9 кВт при 3600 об/мин используется для увеличения запаса хода автомобиля. Более подробную информацию о трансмиссии (показанной на рис. 3) можно найти в предыдущей публикации (Donateo et al. 2012).

Рисунок 3.

Схема силового агрегата ИТАН500

4.1. Симулятор силовой передачи VPR

VPR (Запрос мощности транспортного средства) — это обратная модель, которая использует квазистатические карты для основных компонентов силовой передачи (тепловой двигатель, двигатель и батареи) для прогнозирования их эффективности в соответствии с требуемыми значениями крутящего момента. и скорость.

Основными выходными данными модели VPR являются изменение расхода топлива и заряда батареи в течение ездового цикла. Исходя из трасс скорости и угла наклона, запрос мощности транспортного средства рассчитывается с учетом аэродинамической силы, силы уклона, вклада инерции и силы качения. Пример трассировки запроса мощности транспортного средства показан на рисунке 4 вместе с другими выходными данными VPR.

Обратите внимание, что во время торможения запрос мощности отрицательный, что означает, что энергия торможения может быть рекуперирована и сохранена в батареях. В примере, показанном на рисунке 4, двигатель включается только в небольшой части миссий транспортного средства, примерно через 500 с от начала цикла.

Рис. 4.

Пример результатов VPR

Эффективность электродвигателя по крутящему моменту и скорости была оценена экспериментально на инерционном испытательном стенде (Donateo et al. 2011).

Поскольку двигатель работает с постоянной скоростью 3000 об/мин, его КПД рассматривается только как функция крутящего момента. Для построения карт рис. 5 использованы литературные данные.

Данные рис. 5 относятся к полностью прогретому корпусу, т.е.0°С. Однако КПД двигателя сильно зависит от его температуры; особенно он очень низкий при холодном пуске. В модели VPR данные по КПД на Рисунке 5 скорректированы, как это было предложено Guzzella et Onder, 2004, путем умножения КПД полностью прогретого двигателя на поправочный коэффициент, зависимость которого от температуры показана на Рисунке 6.

Рис. 5.

КПД полностью прогретого двигателя в зависимости от крутящего момента при 3000 об/мин

Рис. 6.

w3.org/1998/Math/MathML» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Поправочный коэффициент для КПД двигателя в зависимости от температуры блока

Обратите внимание, что если VPR работает на борту, температура блока цилиндров является измеренными данными, в то время как в настоящем исследовании ее необходимо смоделировать. По этой причине была предложена тепловая модель, основанная на нульмерном моделировании двигателя (Donateo et al. 2012). Тепловая модель способна имитировать повышение температуры при включенном двигателе в зависимости от его фактического крутящего момента. При выключенном двигателе его температура снижается за счет передачи тепла окружающему воздуху. Более подробную информацию о тепловой модели можно найти в Donateo et al. 2012.

Пример кривой зависимости температуры от времени, полученной из VPR при тех же входных условиях, что и на Рисунке 4, показан на Рисунке 7.

Рис. 7.

w3.org/1999/xlink» xmlns:mml=»http://www.w3.org/1998/Math/MathML» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Пример кривой температуры, полученной с помощью тепловой модели двигателя электрический КПД между измельчителем и колесами принимается постоянным и равным 0,65 для настоящего исследования.

4.2. Стратегия управления энергопотреблением

Стратегия управления энергопотреблением, разработанная для ITAN500, включает начальный режим истощения заряда (CD), в котором батарея используется только до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение SOC батареи ( SOC _CD ). Затем транспортное средство может работать в трех различных режимах.

В режиме 1 питание двигателя подается только группой генератор/двигатель.

В режиме 2 для питания используется только батарея. И двигатель, и аккумулятор используются в других режимах. В частности, в режиме 3 двигатель используется как для зарядки аккумулятора, так и для подачи питания на двигатель, а в режиме 4 двигатель и аккумулятор используются вместе для питания двигателя.

В зависимости от фактической мощности, подводимой к двигателю для перемещения колес ( P _{нагрузка} ) и мгновенное значение SOC, силовая передача работает в одной из областей 1-11 на рисунке 8. В частности, режим 1 предпочтителен в области высокой мощности, за исключением случаев, когда батарея SOC очень высока (Зона 5). Режим 2 обязателен в трех случаях: при полной зарядке аккумулятора (область 3), при торможении (область 1) и при очень низкой мощности нагрузки (область 2). Более того, использование режима 2 предпочтительнее, когда SOC достаточно высок, а мощность нагрузки относительно низка по отношению к номинальной мощности двигателя (области 4 и 7), в противном случае предпочтительнее использование двигателя (области 8). Район 6 и 9соответствуют использованию двигателя для подзарядки аккумулятора (режим 3). Однако это возможно только тогда, когда сумма мощности нагрузки и мощности, запрашиваемой для подзарядки батареи, меньше, чем P _ICE,max . В противном случае используется режим 1.

Обратите внимание, что области 11 и 10 на рис. 8 не учитывались, поскольку требуемая мощность всегда ниже P _ICE,max для всех рабочих условий, рассматриваемых в настоящем исследовании.

Фактический размер каждой области зависит от значений параметров управления энергопотреблением SOC _CD , SOC _MIN , K и P _{I IDE, MIN 9008. Значение SOC min и P ICE,min довольно простое, в то время как для K необходимо дать некоторое объяснение. Параметр K был введен для решения дилеммы между использованием режима 1 или режима 2 в зонах. 7 и 8, так как ни двигатель, ни аккумулятор не работают в этом регионе наилучшим образом. Используя K, можно предпочесть батарею с относительно малой мощностью и высоким SOC (область 8), а двигатель — в противном случае.}

Рисунок 8.

w3.org/1999/xlink» xmlns:mml=»http://www.w3.org/1998/Math/MathML» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Стратегия управления энергопотреблением

4.3. Оптимизатор

Оптимальную комбинацию параметров можно легко выполнить в автономном режиме с помощью общего алгоритма оптимизации, такого как генетические алгоритмы (Paladini et al. 2007).

Роль оптимизатора состоит в том, чтобы найти оптимальное сочетание параметров в таблице 1, определяющих размер областей рисунка 8. Для оптимизации, описанной в этом параграфе, минимальные и максимальные значения и шаги изменения плана учитывались переменные, указанные в таблице 1.

Variable	Min	5″ border-right=».5″> Max
SOCCD (%)	60	80
SOCMIN (%)	20	60
K	0	1
PICE, MIN [W]	5″ border-right=».5″> 500	6200

Таблица 1.

9. эквивалентный расход топлива рассчитывается следующим образом:

m˙tot=wFCm˙ICE(ϑ)+m˙eq,BATTE1

(1)

где:

m˙ICE(ϑ) – функция эффективного расхода топлива от температуры двигателя θ;wFC – присвоенный вес до уровня топлива в баке. Он устанавливается равным 1, если уровень в баке превышает 25 %. Когда уровень в баке очень низкий, этот параметр увеличивается для предпочтительного использования батареи при низком уровне топлива. В частности, w _FC равно 1,2 для 10%<бак_уровень<25% и 1,5 для уровня в баке ниже 10%.

Обратите внимание, что ур. (1) было получено путем адаптации эквивалентного расхода топлива, определенного Sciarretta et al. 2004 г. для гибридного электромобиля, параллельного конкретной трансмиссии ITAN500.

Эквивалентный расход топлива батареи получается следующим образом:

м˙экв,BATT=ηγ⋅PBATTQLHV⋅ΔtE2

(2)

где ηпредставляет собой средний расход топлива батареи, который считается постоянным и то же самое по обвинению и увольнению в настоящем расследовании.

Когда батарея заряжена, P _BATT представляет мощность, которая может храниться в батарее. Из-за эффективности батареи η фактическая мощность, запасенная в батарее (которая определяет эквивалентный расход топлива), ниже, чем P _BATT . Это учитывают, полагая γ =1. При разрядке P _BATT мощность, требуемая от батареи, увеличивается на η(γ=-1).

Для завершения описания экв. (3) Q _LHV — низшая теплота сгорания топлива (в данном исследовании бензин рассматривается с Q _LHV =44 МДж/кг, ездовой цикл ( Δt = 1 с)

Функция штрафа f _p (SOC) учитывает использование батареи в процессе оптимизации и была определена в соответствии с Sciarretta et al. , 2004

4.3.1. Ездовые циклы

В настоящем исследовании для ITAN500 учитывались три вида ездовых циклов. Первые два являются стандартным ездовым циклом, принятым для регистрации новых автомобилей (NEDC и UDDS). Другие числовые циклы были получены с помощью SUMO. Было смоделировано движение ITAN500 по кампусу Ecotekne Университета Саленто в течение примерно 10 000 с (2,8 часа) вместе с другими транспортными средствами, которые, в отличие от ITAN500, могут въезжать на территорию кампуса и выезжать из нее. Были учтены различные сценарии вождения путем изменения количества и спецификации транспортных средств, движущихся по территории.

Спецификация транспортных средств используется в рамках SUMO для расчета максимальных значений ускорения/замедления, разрешенных для каждого транспортного средства, в соответствии с разницей между фактическим запросом мощности (в зависимости от аэродинамики, качения и инерции) и максимальной тягой/ мощность торможения автомобиля. Циклы, полученные таким образом, были названы от Trace A до Trace H. Более подробную информацию о процедуре, используемой для получения числовых циклов, можно найти в Donateo et al. 2011.

Учтен еще один цикл с именем R. Этот цикл является фактическим ездовым циклом, полученным с помощью системы GPS на борту автомобиля ITAN500, когда он работает во всем диапазоне электротяги. Предполагается, что цикл выполняется 25 раз (R*25), чтобы получить результаты расхода топлива и использования батареи, сопоставимые с результатами циклов A и B.

Характеристики циклов, принятых во внимание в исследовании, сообщается в Таблице 2. Обратите внимание, что все циклы, принятые во внимание в настоящем исследовании, относятся к нулевому состоянию.

95395995995995995995ASE95995995995995995ASE995995995AS1091 2.00

Цикл	Общее время [s]	5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»center»> Средняя скорость [м/с]	максимальная скорость [м/с]	мин.	1225	8.93	33.36	0
Cycle_UDDS	1370	5″ valign=»center»> 8.73	25.37	0
Cycle_1015	661	6.90	19.45	0
Cycle_HWFET	766	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»center»> 21.56	26.80	0
Trace A	10001	4.69	13.90	0
Trace B	5″ valign=»center»> 10801	6.88	13,90	0
ТРЕСЯ C	9999	1,79	8.33	0	9959959959959995995ASE	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»center»>9959959959959	8.33	0
Trace E	10001	1.38	8.33	0
Trace F	5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»center»> 10001	1.08	8.33	0
Trace G	10001	1.95	8.33	0
Trace H	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»center»> 10001	1.47	8.33	0
Cycle R	382	25,75	41,61	0,2

Подход полного знания

В этом подходе предполагается, что ездовой цикл полностью известен, и параметры таблицы 1 оптимизируются для каждого цикла таблицы 2. Результаты применения этого подхода к циклам A, B, R, NEDC и UDDS представлены в таблице 3.

Цикл	Продолжительность [S]	Equiv.f. [l/100km]	Δ SOC [%]	FC [l]	SOC CD (%)	SOC MIN (%)	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″> K	P ДВС, МИН [кВт]
#A	10000	2.78	24.8	1.02	65	44.4	0. 9	3.2
#B	10800	3.1	24.7	1.96	77.9	50.1	0.6	2. 6
#R*25	9550	3.38	24.8	1.91	77.3	34.8	0.98	2.4
5″> #UDDS	1370	1.66	18.7	0.08	60.6	37.6	0.97	6.1
#NEDC	5″ valign=»bottom»> 1225	2.52	17	0.16	71.4	35,6	0,26	5,9

Подход без знаний

Предполагается, что ездовой цикл полностью неизвестен. Параметр стратегии управления оптимизируется для цикла NEDC и применяется к другим циклам. Результаты представлены в таблице 4.

5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ align=»left»> Цикл	Продолжительность [S]	. . [л/100 км]	Δ SOC [%]	FC [л]	SOC CD (%)	SOC MIN (%)	K	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ align=»left»> P ICE,MIN [kW]
#A	10000	3.47	25	1.29	71.4	35.6	0.26	5″ valign=»bottom»> 5.9
#B	10800	3.85	25	2.38	71.4	35.6	0.26	5.9
5″ border-right=».5″> #R*25	9550	3.89	25	2.19	71.4	35.6	0.26	5.9
#UDDS	5″ border-right=».5″ valign=»bottom»> 1370	1.67	18.7	0.08	71.4	35.6	0.26	5.9
#NEDC	1225	5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»bottom»> 2.52	17	0.16	71.4	35.6	0,26	5,9

Таблица 4.

Результаты оптимизации в случае отсутствия знаний (исходный SOC 45%)

4.3.4. Прогнозирование и диспетчерское управление картами

Чтобы уменьшить встроенную вычислительную нагрузку, необходимую для подхода CREA, Donateo et al. В 2011 г. было предложено использовать карты, оптимизированные в автономном режиме с учетом эталонных условий вождения. Они были получены с помощью следующей процедуры.

Все циклы из Таблицы 2 были учтены для создания одного глобального ездового цикла продолжительностью 85208 с (около 23 часов). Затем VPR использовался для расчета соответствующего запроса мощности в соответствии со спецификацией транспортного средства, и была получена глобальная трасса запроса мощности. Эта трассировка запроса мощности была разделена на 1420 мини-циклов питания (MPC) по 60 с.

1420 MPC были распределены по 90 группам с помощью метода кластеризации K-средних. Для каждой группы был определен и пронумерован репрезентативный ездовой цикл, названный эталонным минициклом мощности.

На рис. 9 разными цветами показаны пять MPC, принадлежащих к одной группе. Жирная синяя линия — это RMPC, выбранный с помощью алгоритма кластеризации.

Автономная оптимизация выполнена для каждого из 90 РМДК, двух уровней температуры двигателя (холодный-горячий), трех уровней начального состояния заправки и трех уровней топливного бака. Таким образом было получено 1620 оптимизированных карт. Каждая карта содержит оптимизированные значения SOC _мин , к и Р _{ДВС, мин} . для конкретной комбинации RMPC, температуры двигателя, начального состояния заряда и уровня топлива в баке.

Карты можно использовать в интеллектуальном гибридном электромобиле следующим образом.

1. С любым интервалом в 60 секунд прогнозируемый профиль скорости получается из блока прогнозирования;

2. Соответствующий профиль запроса мощности за 60 с рассчитывается в соответствии с техническими характеристиками автомобиля и дороги (эс. класс) с VPR;

3. Профиль запроса мощности сравнивается с каждым из RMPC и находится наиболее близкий по среднеквадратической ошибке;

4. По измеренным значениям температуры двигателя, уровня топлива в баке и степени заряда аккумулятора загружается соответствующая карта;

5. Оптимизированные значения параметров управления энергопотреблением выбранной карты применяются в течение следующих 60 секунд.

Рис. 9.

Пример RMPC

4.4. Анализ подхода прогнозирования и карт

Предлагаемый бортовой инструмент прогнозирования-оптимизации был оценен численно следующим образом. ITAN500 моделируется для выполнения одного из ездовых циклов из таблицы 2 с предположением, что они известны (путем предсказания) в блоках по 60 секунд.

В любой 60-секундный период запрос мощности в зависимости от времени в следующем 60-секундном временном окне оценивается с помощью VPR и сравнивается с каждым из RMDC, чтобы найти наиболее похожий. Затем в качестве начальных значений устанавливаются мгновенные значения температуры двигателя, SOC и уровня топлива и загружается соответствующая оптимизированная карта. Тепловая модель VPR используется для прогнозирования профиля температуры двигателя во время миссии. Значения параметров управления энергопотреблением используются для оценки расхода топлива и использования батареи в следующие 60 с на основе фактического запроса мощности (не на выбранном RMDC).

The results in terms of fuel consumption and battery usage obtained with this approach are reported in Table 5.

9993
9093
9993950395015050505050505050505050505050505050505050505mall. . Процент миссии с контролируемым разрядом батареи (CBD%)

Для сравнения результатов трех подходов можно учитывать разные показатели.

Первая метрика, полезная для сравнения результатов трех подходов, может быть получена путем анализа типичной кривой SOC в зависимости от времени в подключаемом гибридном электромобиле. Пример показан на рисунке 10 в отношении двух различных начальных значений SOC батареи.

Трассы SOC показывают начальную зону, где результаты, соответствующие полному знанию , прогнозированию и картам и без знания , полностью перекрываются, а SOC монотонно уменьшается (электрический режим). Конечно, эта область особенно заметна и актуальна, когда начальный SOC выше (75%).

Далее идет область, в которой SOC имеет тенденцию к уменьшению, но может локально оставаться постоянным или увеличиваться благодаря использованию движка (подключаемый гибридный режим). Эта область заканчивается, когда батарея полностью разряжена (SOC=20%). После этого SOC остается глобально постоянным для всех случаев ( полное знание, предсказание и карты и отсутствие знания ) с небольшими отклонениями, которые не видны в масштабе, используемом для рисунков (режим разряженной батареи). Таким образом, разные результаты по расходу топлива, полученные тремя методами, можно объяснить разной продолжительностью зон EM, PHM и DBM.

В регионе EM расход топлива равен нулю, но SOC сильно снижается из-за интенсивного использования аккумулятора. В режиме PHM основным источником энергии является батарея, а двигатель включается (когда его КПД высок) для уменьшения наклона кривой SOC. Область DBM является наихудшей с точки зрения расхода топлива, поскольку двигатель должен работать также в области его низкого КПД, так как батареи полностью разряжены. Подключаемый HEV работает лучше всего, когда область DBM (SOC = 20%) достигается точно в конце миссии, а область EM простирается на максимально возможную часть миссии. Это возможно, когда задача корабля полностью известна (9).0695 полное знание случай). Кривые на рисунке 10 показывают, что предлагаемый метод работает лучше, чем без знаний , поскольку он позволяет уменьшить длину DBM и увеличить PHM. Как следствие, ДВС в среднем работает с высокой эффективностью.

Таким образом, полезной метрикой для оценки эффективности стратегии управления энергопотреблением для PHEV может быть процент выполнения миссии в режимах EM+DBM. Этот показатель назван здесь CBD%, в то время как в предыдущем исследовании (Donateo et al. 2012) он упоминался как Δmission.

Рисунок 10.

Объяснение значения CBD% для цикла A

Значение CBD% было рассчитано для каждого подхода со ссылкой на цикл A, B и R*25 таблицы 2. R*25 означает что цикл R был повторен 25 раз для достижения продолжительности, аналогичной продолжительности циклов A и B.

Рисунок 11.

Значения CBD% для циклов A, B и R*25 с SOCin=45% и 75%

Анализируя результаты рисунка 16, можно заметить, что эффективность предлагаемой стратегии очень близка к производительности полного знания для цикла A (для обоих значений SOCin) и для цикла R с SOCin=75%. Значения CBD % всегда немного выше, чем в подходе без знаний для других циклов.

Эти результаты показывают, что лучшие характеристики могут быть получены за счет увеличения продолжительности окна прогнозирования, используемого в настоящем исследовании (60 с), даже если это может привести к снижению точности прогноза. Дальнейшее развитие будет связано с оптимизацией горизонта прогнозирования для увеличения % миссии, охватываемой EM+DBM.

4.4.2. Процент миссии с EngineON (engON%)

Другим аспектом, который необходимо учитывать при оценке эффективности предложенной стратегии управления энергопотреблением, является использование двигателя внутреннего сгорания с точки зрения процента миссии, во время которой двигатель включается ( EngON% ).

Результаты показаны на рисунке 12 в отношении циклов A и B, чтобы понять результаты рисунка 11. Обратите внимание, что цикл B требует, чтобы двигатель был включен на гораздо больший процент миссии по сравнению с циклом A. Это объясняет, почему этот цикл более важен при оптимизации метрики CBD%. Даже если прогнозирование и карты не очень успешны в оптимизации CBD%, они могут значительно сократить использование двигателя как в цикле A, так и в B.

Рисунок 12.

Значения EngON% для циклов A и B (SOCin=45 %)

4.4.3. AEE (Average Engine Efficiency)

Средняя эффективность двигателя (AEE) — еще один важный аспект, который необходимо учитывать. Результаты сравнения представлены на рис. 13.

И снова худшая производительность прогнозирование и карты метод получены для цикла B.

Рис. 13.

w3.org/2012/symbol»> Значения AEE (SOCin=45%)

4.4.4. Выбросы CO от скважины к колесу

₂

Конечной целью передовых технологий трансмиссии является сокращение общих выбросов парниковых газов. Таким образом, может быть интересно оценить общие выбросы CO ₂ от скважины до колеса (WTW) с использованием различных подходов, рассмотренных в этом исследовании.

При полном сгорании 1 литра бензина образуется 2,4 кг CO ₂ . При плотности 700 кг/м3 из 1 кг бензина образуется 3,42 кг CO ₂ (выбросы из бака на колеса). Салливан и др. 2004 рассмотреть коэффициент умножения 1,162 для перехода от TTW к выбросам WTW CO ₂ . Таким образом, можно предположить, что из килограмма бензина образуется 3,98 кг CO ₂ (WTW). Используя этот коэффициент пересчета, общее количество CO ₂ , произведенное по циклам #A, #B и #R25, было рассчитано на основе результатов, приведенных в таблице 3 (т. е. для случая с полной информацией).

Что касается электрического излучения, вклад TTW, очевидно, равен нулю, в то время как выбросы от скважины до резервуара (WTT) зависят от смешивания энергии, используемого для выработки электроэнергии, хранящейся в батареях. В отчете Международного энергетического агентства за 2011 год для Италии средний выброс CO ₂ составляет 0,386 кг на кВтч электроэнергии. Используя данные о емкости аккумуляторов (эквивалент 1,8 кВтч) и результаты по SOC, можно оценить общую энергию, используемую для каждого цикла и для каждого подхода. Таким образом, электрическая эмиссия ВТТ CO ₂ можно легко рассчитать.

Расчетные значения выбросов CO ₂ от двигателя и батарей с использованием подхода с полной информацией приведены в таблице 6. Обратите внимание, что электрические выбросы практически ничтожны по отношению к количеству CO ₂ , производимому двигателем. двигатель, даже если двигатель используется только для части миссии. Более того, они совершенно одинаковы для всех циклов, так как аккумуляторы во всех случаях полностью разряжены.

Вычисление общих выбросов CO ₂ было повторено для случаев отсутствия знаний и предсказаний и карт . The comparison is shown in Figure 14.

Cycle	Duration [s]	Минусы эквивалентного топлива. [l/100km]	ΔSOC [%]	FC [l]	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″> SOC CD (%)	SOC MIN (%)	K	P ICE,MIN [kW]
#A	10000	3.38	24.9	5″ valign=»center» align=»center»> 1.26	From maps
#B	10800	3.76	24.9	2.32
#R*25	9550	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»center» align=»center»> 3.73	25	2.09
#UDDS	1370	2.42	13.4	0,19
#DENDC	5″ border-bottom=».5″ border-left=».5″ border-right=».5″ valign=»bottom» align=»center»> 1225	2,61	15,6	0,18
0,18
0,18

Cycle	Usage of Electric energy	Fuel consuption	CO 2 from engine (WTW)	CO 2 from Battery (WTT)	5″ border-right=».5″ bgcolor=»auto» align=»left»> всего CO 2 (WTW)
	[kWh]	[liters]	[kg]	[kg]	[kg]
#A	24. 8	1.02	2.92	0.172	3.09
#B	24.7	1.96	5.61	5″ bgcolor=»auto» align=»left»> 0.172	5.78
#R*25	24.8	1.91	5.47	0.172	5.64

Таблица 6.

Выбросы CO ₂ в случае полной информации

Результаты на Рисунке 14 показывают, что полная информация о будущем вождении может помочь значительно снизить общий выброс CO ₂ из вставной серии HEV. Расчетное снижение колеблется от 12% для цикла #R*25 до 20% для цикла #A.

Рисунок 14.

Выбросы CO от скважины к колесу ₂ для предлагаемых подходов

Результаты подхода прогнозирования и карт занимают промежуточное положение между случаями полного знания и отсутствия знания. Тем не менее, результаты в пересчете на CO ₂ неудовлетворительны, так как предлагаемый подход позволяет снизить выбросы парниковых газов всего на 2-4%. Эти результаты предполагают возможность заменить или интегрировать цель процесса оптимизации (уравнение 1) функцией затрат, которая учитывает общий объем выбросов CO ₂ от скважины до колеса. Более того, лучшие результаты можно было бы получить, увеличив продолжительность горизонта прогнозирования.

Реклама

5.

Резюме и выводы

В этой главе описывается оптимальное использование двигателя внутреннего сгорания в интеллектуальном гибридном электромобиле, способном чувствовать окружающую среду и адаптировать стратегию управления энергопотреблением к фактическим условиям вождения. После введения в гибридные электромобили и связанные с ними проблемы в главе описывается роль информационных и коммуникационных технологий в сокращении выбросов парниковых газов. Затем в главе основное внимание уделяется различным представленным в литературе подходам к использованию информации о дорожном движении и погодных условиях для оптимального управления энергопотреблением гибридных электромобилей. В частности, в главе описывается применение 9Подход 0695 прогнозирования и карт , разработанный в Университете Саленто для оптимизации использования двигателя в подключаемом гибридном электромобиле ITAN500.

Наконец, в главе предлагаются четыре показателя для оценки эффективности предлагаемого метода: процент выполнения задания до достижения наименьшего допустимого значения состояния заряда батареи (CBD), процент выполнения задания при включенном двигателе ( EngON%), средний КПД двигателя (AEE), рассчитанный по его фактической температуре и общему объему выбросов CO ₂ .

Реклама

Благодарность

Исследование проводилось при поддержке Университета Саленто и Министерства окружающей среды Италии (MATTM) за счет финансирования проекта «P.R.I.M.E.».

Реклама

Список сокращений

AEEAll Electric Range BEVBattery Electric Vehicles CBD%% миссии с контролируемым разрядом батареи CDCharge Depleting CSCharge Стратегия минимизации потребления эквивалента ECMSE EngON%% миссии с включенным двигателем FCVТранспортные средства на топливных элементах Глобальная система позиционирования GPS HEVHybrid Electric Vehicles PHEVPplug-in Hybrid Electric Vehicles ICEДвигатель внутреннего сгорания SOCWel7-90 TTWelto90TTWelta-90TTWelta-90TTWelta-90TTWelta-90TTWelto7 WTTWell-to-Tank WTWWell-to-Wheel

Ссылки

1. 1. Anatone M.Cipollone R.SciarrettaA.2011 Control-Oriented Modeling and Fuel Optimal control of a Series Hybrid Bus», SAE paper 1-3116-0 .
2. 2. BarsaliS.MiulliC.PossentiA.2004A Control Strategy to Minimize Fuel Consum of Series Hybrid Electric Vehicles», IEEE Transactions of Energy Conversion, 1195
3. .2010Дизайн электромобиля с увеличенным запасом хода для задачи EcoCAR», Материалы конференции ASME, 2010440
   700
4. 4. Чан К.С.2007Современное состояние электромобилей, гибридных автомобилей и транспортных средств на топливных элементах», Труды IEEE, 954
5. 5. CiccareseG.DonateoT.PalazzoC.2012в печати), «Бортовое прогнозирование будущего профиля вождения для устойчивой мобильности», Int. J. Автомобильные технологии и менеджмент, Vol. x, No. x, ISSN (онлайн): 1741-5012- ISSN (печатная версия): 14709511
6. Материалы Fisita 2010, Paper n. F2010E047.
7. 7. DimitrakopoulosG.2011Интеллектуальные транспортные системы на основе транспортных средств, подключенных к Интернету: фундаментальные области исследований и проблемы», 11 ^-я -я Международная конференция по телекоммуникациям ИТС.
8. 8. DonateoT.PacellaD.2012Моделирование теплового поведения внутреннего сгорания в гибридных электромобилях с рециркуляцией тепла выхлопных газов и без нее», Материалы весенней технической конференции ASME 2012 года по двигателям внутреннего сгорания, май 69
9. 9. DonateoT.PacellaD .LaforgiaD.2011Разработка стратегии управления энергопотреблением для гибридных электромобилей серии plug-in на основе прогнозирования будущих ездовых циклов с помощью технологий ИКТ и оптимизированных карт», Технический документ SAE 2011-01-0892.
10. 10. Ericsson E. 2001 Факторы независимого стиля вождения и их влияние на коэффициенты расхода топлива и выбросов выхлопных газов”, Тр. Рез., Часть D, 65325341
11. Res., Part D, 55337354
12. 12. German J.M.2003Hybrid Powered Vehicles, SAE International, 0-76801-310-0
13. 13. GonderJ.MarkelT.2007Energy Management Strategies for Plug-In Hybrid Electric Vehicles», SAE Technical paper 2007-01-0290.
14. г. 14. Гонг К. Тулпуле П. Марано В. Мидлам-Мохлер С. Риццони Г. 2011 г. Роль ITS в повышении производительности PHEV», Американская конференция по управлению ACC.
15. 15. GongQ.LiY.PengR.2007Оптимальное управление питанием сменных гибридных автомобилей с интеллектуальными транспортными системами», Международная конференция IEEE/ASME по передовой интеллектуальной механтронике.
16. 16. Гусихин О.ФилевД.Рыхтицкий Н.2008Интеллектуальные автомобильные системы: приложения и новые тенденции», Конспект лекций по электротехнике, 15Часть 1, 3-14.
17. 17. Гуззелла Л. ОндерК. H.2004Введение в моделирование и управление системами двигателей внутреннего сгорания, Springer Verlag, ISBN 354022274X, 2-е издание.
18. 18. GuzzellaL.SciarrettaA.2007Системы движения транспортных средств, Введение в моделирование и оптимизацию, Springer Verlag, 3-54074-691-9, издание.
19. 19. Международное энергетическое агентство, 2011 г. CO ₂ Выбросы от сжигания топлива – Отчет за 2011 г.».
20. 20. Джанота А.Дадо М.Спалек Дж.2010Озеленение интеллектуального транспорта», Journal of Green Energy, 1-1
21. 21. Карбовски Д. Руссо А. Пагерит С. Шарер П. 2006 г. Стратегия управления транспортными средствами с подключаемыми модулями: от глобальной оптимизации к применению в режиме реального времени», 22 ^nd Симпозиум по электромобилям, EVS22, Йокогама, Япония.
22. 22. LeeJ.OhnH.Choi-YJ.KimS. J.MinB.2011Разработка эффективной системы рекуперации тепла выхлопных газов для гибридного электромобиля», Технический документ SAE 2011-01-1171;
23. 23. LinC.PengC.H.GrizzleJ. W.KangJ.M.2003Стратегия управления мощностью параллельного гибридного электрического грузовика», IEEE Trans. Система управления Техн., 116839849
24. 24. MarkelT.KussM.DenholmP.2009Связь и управление электромобилями, поддерживающими возобновляемые источники энергии», Конференция по мощности и движению транспортных средств, 2009. VPPC’09. IEEE.
25. 25. MilloF.RolandoL.ServettoE.2011Разработка стратегии управления для сложных легковых дизельно-гибридных силовых агрегатов», Технический документ SAE 2011-24-0076.
26. 26. PaladiniV.DonateoT.de RisiA.LaforgiaD.2007 Оптимизация и разработка стратегии управления гибридным электромобилем на топливных элементах с суперконденсаторами», Energy Conversion and Management, 48 (11), 300130080196-8904
27. 27. SchurichtP.CassebaumO.LuftM.BakerB.2010Methods and Algorithms in Control of Hybrid Powertrains, Международный конгресс тяжелых транспортных средств, автопоездов и городского транспорта, 0609октябрь 2010.
28. 28. SciarrettaA.Guzzella204AbackM стратегия оптимального управления в режиме реального времени для параллельных гибридных транспортных средств с бортовой оценкой параметров управления», в Proc. Симптом МФБ. Доп. автомат. Control, Салерно, Италия, апрель 1923 г.
29. 29. SerraoL. “. A.Сравнительный анализ.стратегий.управления.энергией.для.гибридных.электромобилей».2009Кандидат наук. Диссертация, Университет штата Огайо.
30. 30. SerraoL.RizzoniG.2008Оптимальное управление разделением мощности для гибридного электрического мусоровоза», Материалы Американской конференции по контролю 2008 года.
31. 31. SimpsonA.2006Анализ рентабельности технологии подключаемых гибридных электромобилей», 22-й Международный симпозиум и выставка аккумуляторных, гибридных и топливных электромобилей, 2328 октября, Иокогама, Япония;
32. 32. Салливан Дж. Л.БейкерР. Э.БойерБ. А.ХаммерлеР. Х.КенниТ. Э.МунизЛ.УоллингтонТ. J.2004CO ₂ Преимущество выбросов дизельных (по сравнению с бензиновыми) транспортных средств», Наука об окружающей среде и технологии, 3812
33. 33. Тулпуле П.Марано В. Риццони Г.2009Влияние различных стратегий управления PHEV на производительность автомобиля», Американская конференция по контролю DSCC 2009.
34. 34. TulpuleP.MaranoV.RizzoniG.2011Влияние информации о трафике, дорогах и погоде на управление энергопотреблением PHEV, Технический документ SAE 2011-24-0162.
35. по Info-tech и Info-net 2001, ICII 2001, октябрь 2001.
36. 36. WonJ.S.LangariR.2005Агент интеллектуального управления энергопотреблением для параллельного гибридного транспортного средства. Часть 2: распределение крутящего момента, стратегии поддержания заряда и результаты производительности», IEEE Trans. Вех. Technol., 543935953
37. 37. YuS.LiL.DongG. ZhangX.2006A Исследование стратегий управления двигателем PFI во время запуска и запуска для HEV, Proceedings of IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety, ICVES 2006.
38. 38. ZuurendonkB .2005Усовершенствованное моделирование расхода топлива и выбросов с использованием методов линейного масштабирования Willans для двигателей», отчет о стажировке, DCT 2005.116, Технический университет Эйндховена.

Разделы

Информация о авторе

• 1. Введение
• 2. Классификация гибридных транспортных средств
• 3. ИКТ И УСТОЙЧИВАЯ ДЕЙСТВИЯ
• 4.A Тестовый Пример: ITAN500
9 2
6 9213 3.
• Список сокращений

Ссылки

Реклама

Автор:

Тереза ​​Донатео

Представлено: 5 ноября 2011 г.