Атмосферный мотор: что это такое, чем отличается от турбированного — Рамблер/авто

Содержание

почему у атмосферных моторов нет будущего :: Autonews

Наддув без вариантов: почему у атмосферных моторов нет будущего

Летом организаторы международного конкурса «Двигатель года» (International Engine of the Year) назвали лучшие моторы 2016 года. Эксперты оценивали силовые агрегаты по нескольким параметрам: экологичность, динамические характеристики и расход топлива. При этом в тройке лидеров не оказалось ни одного атмосферного агрегата. По результатам голосования победу одержал 3,9-литровый битурбо V8, который устанавливают на Ferrari 488 GTB. На втором месте оказалась гибридная силовая установка BMW i8, в составе которой тоже есть наддувный бензиновый мотор объемом 1,5 литра. Третьим стал шестицилиндровый турбированный двигатель Porsche, которым комплектуют спорткары 911. Повальный переход на турбированные моторы в мировом автопроме происходит отнюдь не для обеспечения высоких показателей мощности. По мнению специалистов НАМИ, все дело в экологических нормах, которые могут привести к исчезновению атмосферных моторов.

С атмосферных двигателей можно снять практически такую же удельную мощность, что и с турбированных. Самым высокопроизводительным безнаддувным мотором на текущий момент остается 4,5-литровый V8 от Ferrari 458 Speciale A, который выдает 605 лошадиных сил. Таким образом, удельная отдача агрегата составляет 134 л.с. с одного литра объема. Для сравнения, с 4,0-литрового V6 TFSI с двумя турбинами (Audi RS6) инженеры сняли 605 л.с. – 151 л.с. с одного литра объема.

В автомобильных двигателях без наддува литровая мощность выше 100 л.с. обеспечивается, в первую очередь, за счет повышения его предельных оборотов (быстроходности), пояснил директор Центра «Энергоустановки» ФГУП «НАМИ» Алексей Теренченко. В качестве примера кандидат технически наук вспомнил мотор мотоцикла Honda CBR400F (145 л.с./1 л), максимальная мощность которого достигается на 12 300 оборотах в минуту. Абсолютные рекордсмены здесь двигатели болидов Формулы-1, с которых снимают по 310 л.с. на 1 л, но уже на 19 000 оборотах.

 


Влияние на литровую мощность оказывают и другие факторы: степень сжатия, смесеобразование, сгорание. Например, в 1997 г. Alfa Romeo начала устанавливать на седаны 156 двигатели линейки Twin Spark, в которых было по две свечи на цилиндр. Моторы выдавали рекордную для европейского автопрома по тем временам удельную мощность. «Четверка» объемом 1,75 л обеспечивала 144 л.с., а 2,0-литровый мотор – 165 лошадиных сил. У японских брендов двигатели были еще производительнее. Например, в начале 1990-х Honda разработала DOHC i-VTEC объемом 1,6 л, который выдавал 160 лошадиных сил. При этом максимальная мощность достигалась практически на мотоциклетных оборотах – коленвал Honda Civic раскручивался до 8 тыс. оборотов в минуту. Позже на Honda S2000 появилась бензиновая «четверка» объемом 2,0 л с высокой степенью сжатия, которая выдавала 250 л.с. (125 л.с. на 1 л объема). В российском автопроме рекордсменом по удельной мощности является двигатель АвтоВАЗа под индексом 21127, которым комплектуется Lada Vesta (1,6 л, 106 лошадиных сил).

Представитель НАМИ, в свою очередь, пояснил, что все эти факторы, повышающие отдачу мотора, имеют второстепенное значение. «Быстроходность двигателя ограничивает процесс газообмена, для улучшения которого стремятся увеличить число цилиндров, уменьшить отношение хода поршня к диаметру цилиндра, увеличить количество клапанов на цилиндр, повысить пропускную способность выпускной и особенно впускной системы», — уточнил Теренченко.

Автопроизводители и дальше продолжили бы совершенствовать атмосферные моторы, если бы не жесткие экологические нормы, ограничивающие уровень выбросов СО2 в атмосферу. Одним из самых популярных способов для выполнения требований, помимо сокращения веса автомобилей, является уменьшение рабочего объема двигателей. «При уменьшении рабочего объема пропорционально снижается его мощность и, соответственно, ухудшаются ездовые качества автомобиля. Чтобы избежать этого, крутящий момент и мощность двигателя восстанавливают до уровня двигателя большего литража за счет применения турбонаддува», — объяснил кандидат технических наук, добавив, что в обычном режиме такой мотор работает, как малообъемный «атмосферник».
 


При этом повышение предельных оборотов мотора также позволяет восстановить мощность, однако крутящий момент в этом случае будет низким. Именно по этой причине форсирование двигателя за счет применения турбонаддува более эффективно, чем повышение быстроходности силового агрегата.

При этом, пояснил представитель НАМИ, нет прямой зависимости между форсировкой двигателя при помощи турбины и его надежностью – все зависит от условий эксплуатации. У атмосферных двигателей обратная ситуация: долговечность мотора во многом связана с его литровой мощностью. «С увеличением оборотов и, соответственно, литровой мощности, растут инерционные нагрузки, трение и износ основных деталей, поэтому надежность снижается», — рассказал Алексей Теренченко.

Например, срок службы атмосферного двигателя Формулы-1 равен 1 тыс. км, в то время как на массовых автомобилях эта цифра в среднем составляет 150 тыс. километров. НАМИ также работает над повышением удельной мощности двигателей. По прогнозам разработчиков, реально добиться цифр порядка 125-135 л.с. на 1 л объема за счет применения разных комбинаций новых и традиционных технологий. В том числе, регулируемого клапанного привода, регулируемой степени сжатия, непосредственного впрыска топлива в цилиндры, турбонаддува, гибридизации и электрификации силового агрегата. В моторе будущего флагмана проекта «Кортеж» также предусмотрен целый ряд технических инноваций, но едва ли он будет атмосферным.

5 самых мощных атмосферных моторов в истории

Вы удивитесь, но в этой подборке речь пойдет далеко не о суперкарах, а о настоящих городских ракетах — легких и быстрых автомобилях с далеко не самыми большими моторами. Их изюминка — технологии и максимальная отдача с каждого литра объема. Больше 200 сил с 2 литров объема? Легко! Отсечка в районе 9 тысяч оборотов? Пожалуйста! Степень сжатия 11:1? Получите, распишитесь. Самое же интересное, что большинство этих шедевров инженерии были созданы еще в 90-е без всяких турбонаддувов. Сейчас нам остае

Mazda 13B-DEI

Да, Mazda попала в этот обзор с хитрецой, ведь их знаменитый 13B представлял собой не классический поршневой ДВС, а двухсекционный ротор! Две камеры образовывали общий объем в 1300 кубических сантиметров, с которых японские мотористы еще в 80-х без всяких нагнетателей умудрялись снимать до 146 лошадиных сил. Все дело в конструкции двигателя, который имел практически одну крупную движущуюся деталь — сам ротор, перемещавшийся по сложной траектории в камере сгорания. Из-за этого мотор мог иметь отсечку в районе 8–9 тысяч оборотов и выдавать больше мощности с меньшего объема. Минусом роторных двигателей, над которыми до сих пор экспериментирует только Mazda, была крайняя капризность конструкции и максимальная прожорливость. Однако именно этот мотор поднял к вершинам славы некогда знаменитые спорткары RX-7 и RX-8.

Nissan SR16VE

Вы могли и вовсе не знать про модель Pulsar, которая с конца 70-х годов все обрастает новыми поколениями. Однако громче всего это имя звучало в 90-х, когда японцы решили превратить скромные и компактные седаны и хэтчбеки в настоящие городские ракеты. как раз тогда в недрах Nissan начала развиваться серия двигателей SR, наибольшую славу которой принесет турбовариант 20DET для иконы дрифта Silvia. Однако в процессе эволюции и мотора инженеры создали и лихой атмосферный вариант, который и по сей день считается самым форсированным серийным мотором в 1,6 литра. Благодаря системы изменения фаз газораспределения и отсечки в районе 8300 оборотов в минуту мотор выдавал 175 лошадиных сил. Но был и форсированный вариант для модели Pulsar VZ-R, который и вовсе был способен выжать 200 «коней» из скромного 1,6-литрового объема.

Honda F20C

Да здравствует король! Этот мотор до сих пор считается самым форсированным в мире серийным атмосферным мотором, хотя вышел в свет в далеком 1999 году под капотом родстера S2000. Несмотря на то, что двигатель располагался под капотом, машина считалась среднемоторной, потому что вся мощь была сосредоточена за передней осью ближе к салону. С 2 литров объема благодаря фирменной системе изменения фаз ГРМ VTEC инженеры Honda сняли аж 240 лошадиных сил! Отсечка у этого 4-цилиндрового двигателя находилась на отметке в 9000 оборотов в минуту — так много, что с 2004 года инженеры понизили ее почти на тысячу ради лучшей тяги на низах. Тем не менее, мощность осталась на том же уровне, хоть и мотор и требовал топлива не хуже 98-го бензина из-за большой степени сжатия.

Toyota 2ZZ-GE

Сегодня наш герой не какой-нибудь 2JX-GTE, а скромный 1,8-литровый моторчик, прописавшийся под капотом последнего поколения купе Celica. Без мам, пап, кредитов и турбонаддувов он выдавал нехилые 192 «лошадки». Созданный к 1999 году мотор выпускался в двух вариантах 1ZZ был оптимизирован ради тяги и экономичности и выдавал ничем не примечательные 143 силы, а вот 2ZZ наоборот был настроен на зону высоких оборотов с максимальной отдачей. Этот мотор оказался так легок и хорош, что его начали закупать инженеры Lotus, которые точно знают толк в легких и мощных моторах. Агрегат устанавливался в образец управляемости — родстер Elise, а на трековый Exige шел уже в наддувном варианте. Да и сама Celica, несмотря на передний привод, могла на светофоре удивить какой-нибудь BMW.

BMW S85B50

Кстати, о BMW — мы решили разбавить нашу подборку не только малообъемными «япошками», но и единственным достойным такой чести «немцем». E60 M5 стал поистине знаковым автомобилем, вобрав в себя все силы и технологии моторов «Формулы 1». Монструозный 5-литровый V10 выдавал огромные 400 «лошадей», но только когда вы поворачивали зажигание. Все дело в том, что этот автомобиль стал чуть ли не первым в мире, чьи настройки мотора менялись нажатием одной единственной кнопки. Стоило нажать клавишу с литерой М, и карта управления двигателем менялась, а сам мотор выдавал уже не 400, а 507 «кобыл». Это позволяло ускоряться до сотни за 4,2 секунды даже на заднем приводе и набирать предельные 330 км/ч, сняв ограничитель. Позже BMW откажется от атмосферных моторов, но E60 все же останется лучшим M5 в истории.

Самый мощный атмосферный двигатель Porsche в 520 л.с.

Четырехлитровый шестицилиндровый атмосферный двигатель Porsche в приводе нового 911 GT3 RS доведен до высшего совершенства. Оппозитный силовой агрегат выдает на 15 кВт (20 л.с.) больше, чем в предыдущей модели и в современном 911 GT3. Крутящий момент вырос на 10 ньютон-метров до 470 Нм. Мощность достигает своего пика при частоте вращения 8250 об/мин, крутящий момент – при 6000 об/мин. Учитывая диапазон частоты вращения, доходящий до 9000 об/мин, никаких сомнений, что этот шестицилиндровый агрегат – чистокровный спортивный мотор.

В комбинации с серийной семиступенчатой коробкой передач PDK новый 911 GT3 RS разгоняется с места до 100 км/ч за 3,2 секунды. Максимальная скорость составляет 312 км/ч. Наряду с испытанными технологиями 911-го, такими как система регулировки фаз газораспределения VarioCam, система непосредственного впрыска топлива или регулируемая резонансная система впуска, высочайшую надежность и прочность при повышенной частоте вращения двигателю 911 GT3 RS гарантируют технологии, пришедшие из автоспорта. Коленчатый вал с увеличенными диаметрами подшипников, более широкие шатунные подшипники, цилиндры с плазменным напылением рабочих поверхностей для сокращения потерь на трение и снижения износа, а также существенно улучшенное снабжение деталей двигателя маслом – мероприятия, служащие повышению безотказности и прочности конструкции двигателя при работе на высоких оборотах.

Жесткий привод клапанов без гидрокомпенсаторов позволяет развивать обороты до 9000 об/мин

Переход на жесткий привод клапанов с соответственно адаптированным конструктивным исполнением пружин даже в экстремальных условиях эксплуатации гарантирует максимальную частоту вращения двигателя 9000 об/мин. В газораспределительном механизме этого типа клапаны приводятся в действие через односторонние коромысла с боковой опорой без регулировки зазора при помощи гидрокомпенсаторов. Регулировка зазора осуществляется однократно на заводе посредством компенсационных прокладок (калиброванные пластины) и рассчитана на весь срок службы двигателя.

Подача масла к компонентам двигателя тоже ориентируется на принципы автоспорта. Ведь двигатель не только раскручивается до очень высоких оборотов, но и подвергается особо высоким продольным и поперечным ускорениям на гоночной трассе. Система смазки с сухим картером работает с семью маслооткачивающими насосами, которые быстро и эффективно отводят масло обратно во внешний масляный резервуар. Маслонагнетательный насос создает оптимальное давление масла для каждого режима работы. Новым является также особо эффективное маслоснабжение высоконагруженных шатунных подшипников. Они имеют центральную подачу масла – снабжаются маслом через отверстие в коленчатом валу непосредственно от масляного насоса. Гашение пенообразования масла посредством центрифуги перед его подачей в отдельный масляный резервуар тоже является абсолютной новинкой в этом классе автомобилей и заимствовано у высокомощных спортивных двигателей.

Кузов 911 Turbo создает эффект динамического наддува

Использование кузова от 911 Turbo для 911 GT3 RS имеет преимущества также и в плане эффективности привода: чем больше рабочего воздуха попадает в камеры сгорания и чем более он сжат, тем большую мощность можно получить от двигателя. Заимствованные у 911 Turbo воздухозаборники в задних крыльях при высоких скоростях движения создают эффект динамического наддува (Ram Air), который повышает скорость воздушного потока и способствует повышению мощности.

В базовой комплектации 911 GT3 RS оснащен спортивной выхлопной системой с концевым глушителем и двумя расположенными по центру выхлопными патрубками из титана. Большой размер выхлопной системы снижает противодавление отработавшим газам и таким образом способствует повышению мощности.

Атмо или турбо — какой мотор лучше?

Фото: Сообщество «4 Колеса» в сети ok.ru

Если у дам нередко главным аргументом при выборе автомобиля выступает цвет, то мужчин так просто не провести. Истинный автолюбитель знает, что сила автомобиля в его двигателе. За мощный двигатель водитель готов простить машине и несовершенство форм и недостаточную комплектацию. Осталось выбрать между турбированным мотором и атмосферным «сердцем» автомобиля.

Рассмотрим достоинства и недостатки обоих видов.

Атмосферные двигатели

Фото: topruscar.ru

Плюсы:

  • Непоколебимым плюсом атмосферного двигателя является простота строения, а незамысловатость конструкции дает прочность.
  • Расход масла более экономичен — на каждый 10 000 километров уходит 200-500 граммов, а замена происходит каждые 15-20 тысяч километров.
  • Не обязательно брать высококачественное масло.
  • Атмосферные моторы прогреваются быстрее, чем турбированные.

Минусы:

  • Воздух не успевает нагнетаться, проходя через воздушные фильтры. Из-за чего мощность вполовину меньше турбин.
  • Топливо впрыскивается обильно, что не очень экологично.

Турбированный двигатель

Фото: carnovato.ru

Плюсы:

  • В турбированный двигатель заходит больше топлива. А значит, взрыв в таком случае сильнее и с большей силой толкает поршни вниз.
  • Более невесомый и сжатый.
  • Расходует меньше топлива, чем атмосферный двигатель. При этом более динамичен.

Минусы:

  • Подходит топливо только высокого качества. Залив дешевого масла в турбодвигатели грозит поломкой или возгоранием.
  • Заменять масло нужно каждые 10 000 километров.
  • Турбированный мотор сложнее прогреть в холодные сезоны.
  • Двигатель проживет 150 тысяч километров. Дальше возникают проблемы в виде растянутой цепи и клапанов, выходящих из строя.

Чтобы выбрать нужный двигатель, определите для себя цели и охарактеризуйте манеру езды. Для адреналина и скоростей, при наличии лишних денег, подойдет турбированный двигатель. А если в приоритете стабильность, то атмосферный составит конкуренцию турбине.

При использовании любых материалов необходима активная ссылка на DRIVENN.RU

ŠKODA AUTO Россия расширяет линейку двигателей для новой OCTAVIA

Ян Прохазка, глава марки ŠKODA в России: «Расширение доступных двигателей для новой ŠKODA OCTAVIA в России является для нас очень важным шагом. С разнообразной линейкой эффективных и надежных моторов наш автомобиль отвечает на запросы самого широкого круга клиентов, и теперь каждая российская семья найдет для себя свою OCTAVIA».

Для новой ŠKODA OCTAVIA в качестве базового силового агрегата предлагается четырехцилиндровый 1.6 MPI/110 л.с. в сочетании с автоматической 6-ступенчатой коробкой передач*. Его максимальная скорость достигает 199 км/ч, разгон до 100 км за 12,4 с, а расход топлива в смешанном цикле – 6,9 л/100км.

Доступный с момента старта продаж модели двигатель 1.4 TSI мощностью 150 л.с. работает в паре с 6-ступенчатой механической трансмиссией (максимальная скорость 227 км/ч, разгон до 100 км/ч за 8,1 с, расход топлива в смешанном цикле 5,8 л/100 км) или с автоматической 8-ступенчатой трансмиссией (максимальная скорость 223 км/ч, разгон до 100 км/ч за 9,0 с, расход топлива в смешанном цикле 5,5 л/100 км).

Модификация с наиболее мощным, новым турбированным двигателем 2.0 TSI, развивающим 190 л.с., комплектуется 7-ступенчатой преселективной роботизированной коробкой передач DSG. Мотор способен набирать скорость до 240 км/ч, а разгон до 100 км составляет всего 7,4 с.

Новая ŠKODA OCTAVIA предложена в трех расширенных комплектациях Active Plus, Ambition Plus и Style Plus, оснащение каждой из которых значительно богаче, чем прежде. Запуск четвертого поколения ознаменовал собой выход OCTAVIA на новый уровень. Модель, являющаяся «сердцем» чешского бренда, приобрела превосходную функциональность и интеллектуальные решения, став еще просторнее, безопаснее, умнее и эмоциональнее.

Лифтбек приобрел увеличенные габариты, став еще вместительнее, а объем багажника теперь составляет 578 л. В новой OCTAVIA применяется целый ряд современных решений, включая трехзонный климат-контроль Climatronic, двухспицевый руль, систему бесключевого доступа KESSY FULL на всех дверях. Последнее поколение мультимедийных систем отличается еще большей информативностью и интуитивным управлением для обеспечения высокого уровня комфорта и безопасности водителя и пассажиров. Кроме того, это первая модель ŠKODA, в которой используется технология shift-by-wire: селектор АКПП направляет в блок управления электронный сигнал о том, какую передачу необходимо включить, и вместо привычного рычага переключения передач установлен модуль управления с выбором режимов.

Новая OCTAVIA доступна для заказа с инновационными полностью светодиодными матричными фарами, каждая из которых оснащается отдельными модулями для ближнего и дальнего света. Благодаря интеллектуальной технологии освещения водитель может оставить включенным дальний свет и при этом не слепить других участников движения. Опциональные полностью светодиодные задние фонари оснащены подсвеченными кристаллическими элементами и динамическими указателями поворота.

Происхождение лошадок: как правильно форсировать атмосферный мотор

Два слова о мощности

В таком вопросе нельзя без щепотки теории, поэтому позвольте пару слов о природе мощности, чтобы смысл всяких «железных» доработок был понятнее. Подробно на этом вопросе я останавливался в одном из прошлых материалов, а тут лишь обозначу коротко по сути. Мощность для любого двигателя внутреннего сгорания может быть выражена как крутящий момент, умноженный на обороты, с коэффициентом.

Не волнуйтесь, на выходе это все та же работа в единицу времени, просто так куда удобнее оперировать цифрами из технических характеристик машины.

Поэтому очевидно: для увеличения мощности нужно увеличивать крутящий момент и обороты. Ну или один из этих параметров.

На словах задача выглядит просто. Казалось бы, какая разница, 5 тысяч оборотов или 8? На практике зависимость нагрузок на цилиндропоршневую группу от оборотов – квадратичная. Если по-простому, то безоглядно поднимать рабочие обороты нельзя – мотор быстро получит необратимые механические повреждения. Поэтому нужно либо «затачивать» мотор под высокие обороты, либо все-таки идти путем увеличения крутящего момента.

Чуть о природе крутящего момента

С ним тоже не так все просто. При поднятии момента нагрузка на поршневую группу растет уже не квадратично, а линейно, но увеличивается нагрузка иначе. Сильнее нагружаются коленчатый вал, шатуны, поршневые пальцы и сам блок цилиндров.

Ну хорошо, будем увеличивать момент осторожно. А что для этого надо сделать? «Вогнать» в мотор больше воздуха для окисления большего количества топлива. Как известно, для сжигания одного килограмма бензина нужно 14,7-15 килограммов воздуха. В пересчете на литры это выглядит куда внушительнее: 1,4 литра бензина против 12 кубометров, или же 12 тысяч литров воздуха. Поэтому-то, как вы понимаете, не так сложно подать в мотор нужное количество бензина, как обеспечить его воздухом.

Поэтому крутящий момент будет зависеть от количества воздуха, подаваемого в цилиндр за такт, а мощность – от того, сколько мотор может переварить в единицу времени.

Выводы напрашиваются сами собой: для форсировки нужно либо увеличивать рабочий объем, либо применить наддув!

Крутящий момент и объем

Так уж получилось, что в отношении почти любого атмосферного двигателя действует эмпирическое правило: 85-100 ньютон-метров приходятся на 1 литр рабочего объема. Моторчик объемом 1,6 литра будет иметь 140-160 Нм, двухлитровый – 180-200. Это фактический предел.

Правило это довольно универсальное и применимое к моторам как давним, так и совсем новым. Мощным и совсем слабеньким. Разве что совсем старые моторы отклоняются от него. Вот МеМЗ-968, мотор от Запорожца, его рабочий объем 1,2 литра, момент – 80 Нм. Но при этом ВАЗ-2101 – те же 1,2 литра, но уже 87 Нм. И это старые карбюраторные двигатели с совершенно ужасными по современным меркам характеристиками системы питания и зажигания!

У современного моторчика Skoda Fabia 1,2 выдает уже 112 Нм. Тойотовский 1ZZ-FE на 1,8 литра объема выдает 171 Нм, а куда более мощный 2ZZ-GE – всего 180 Нм. Мерседесовский М111 2,3 литра выдает 220 Нм, а куда более новый и мощный М272 3,0 – ровно 300 Нм. Экстремально форсированный Honda K20A 2,0 имеет момент 215 Нм – чуть лучше «среднего». Ну и так далее.

Кстати, даже формульные атмосферные моторы 2,4 имели момент в пределах 260 Нм. При оборотах за 18 тысяч этого хватало для получения очень высокой мощности.

Причина столь малого разброса в «форсировании по моменту» именно в том, что он зависит от степени наполнения, площади поршня и хода поршня. Степень наполнения ограничена атмосферным давлением и еще немного можно выжать за счет хорошо проработанной системы впуска. Поэтому сильно поднять крутящий момент без увеличения рабочего объема не только нельзя, этого попросту не нужно.

Вот моторы с турбонаддувом делают, что хотят. Хотите 250 Нм с мотора 1,4? Пожалуйста, двигатель 1,4 TSI EA111 на Skoda Octavia это может. На Fabia RS тот же мотор мощнее, но момент такой же. А на Мерседесах мотор M274 2,0 DE20 AL может иметь как 350 Нм, так и 370. В общем, любые варианты возможны. Турбина наддует столько, сколько выдержит механическая часть мотора.

На фото: двигатель M274, мощность: 245 л.с., крутящий момент: 370 Н*м при 1 300-4 000 об/мин

Главный вывод, который нужно сделать: без наддува нет момента. Даже самые серьезные изменения дадут лишь небольшой прирост. И то в основном на высоких оборотах.

Про форсировку турбомоторов я подробно расскажу в следующей статье. Но если вы противник турбин и все же решились «допилить» свой атмосферный мотор, двинемся дальше. Что такого происходит с мотором, что с атмосферного 1,6 какой-нибудь Fiesta получают 180-220 лошадиных сил без всякого наддува, а мощность скромных двухлитровых с турбонаддувом переваливает за 400 или даже 800 сил? И что придется поменять в вашем совершенно обычном двигателе, чтобы он выдавал хотя бы 180-200 «лошадей»? Глобально вроде бы все понятно: либо «дуть» во имя момента, либо «крутить» во имя оборотов. А что придется менять в конструкции для достижения фантастических результатов?

Работы по «железу»

Даже если мотор остается атмосферным, хлопот немало. Увеличение рабочих оборотов – дело сложное и затратное. В первую очередь заботятся о том, чтобы поршневая группа вообще выдержала нагрузки. Улучшения идут в двух направлениях: увеличивают прочность и вместе с тем снижают массу поршневой группы.

Нам необходимы: кованый коленчатый вал, кованые Н-образные шатуны, Т-образные поршни пониженной высоты, особо прочные болты шатунов. Ну а более производительный маслонасос позволит снизить потери и обеспечить приемлемую прочность. У особенно форсированных двигателей для гонок поршень может остаться всего с двумя поршневыми кольцами для снижения массы, а для снижения потерь на трение их делают минимальной толщины.

Если в ваших планах – обороты свыше 10 тысяч в минуту, шатуны придется делать из титановых сплавов, хотя это не самый лучший материал для деталей двигателя. Несмотря на высокую прочность, его сплавы слишком пластичны, а в ДВС точность изготовления идет на микроны. Очень высокая нагрузка приходится на нижнюю головку шатуна, и потому требования к их шпилькам или болтам очень высоки, и тюнинговые детали стоят крайне дорого именно по этой причине.

Конечно, новой поршневой группой изменения не ограничиваются. Требования к механизму ГРМ тоже растут. С ростом оборотов должна возрастать упругость клапанных пружин, чтобы они успевали возвращать тарелки в закрытое положение. Тут нужно снижать массу клапанов, а заодно и их возможности по теплоотдаче. К тому же с более агрессивными распределительными валами скорость открытия и закрытия клапанов увеличивается, и растет нагрузка на все компоненты механизма. В общем, клапаны обычно заменяют на облегченные и особо прочные. Титановые детали изредка применяют и тут, но чаще в ход идут высокопрочная сталь и металлокерамика.

Ну а дальше вопрос в настройке резонансных явлений на впуске и выпуске мотора с помощью впускного коллектора, выпуска и распредвалов. Разумеется, расширяют «узкие места» в виде дросселя, а то и переходят на многодроссельный впуск, с отдельной заслонкой для каждого цилиндра.

Если действовать по уму, то оптимизации обычно требует также форма каналов в ГБЦ и остальных местах впускного тракта. Для этого мотор «продувают» и ищут точки потери давления – места с повышенным сопротивлением течению воздуха. Процессы доработки впуска на практике ничуть не проще доработки поршневой группы мотора, а при «легком» тюнинге и вовсе съедают основную долю бюджета доработок.

Вот, например, мотор Opel C20XE. Двигатель дорабатывался специалистами Lotus и является типичным примером «двигателя для омологации» – мотора, изначально подготовленного к переделкам самим производителем. Не зря его использовали в WTCC команды Opel, а затем Chevrolet и Lada добрых полтора десятка лет. Его конструкция неплохо переносит форсирование, и потому список необходимых изменений выглядит достаточно скромным.

С мотором изначально менее «прочным» бюджет был бы выше, причем в разы. Стоковый C20XE имеет объем 2,0 литра и мощность 150 л. с. Английские компании набрали большой опыт по подготовке этого двигателя к различным гонкам и существуют так называемые «киты», которые можно купить и установить на свой мотор. Разумеется, двигатель должен быть идеально собран и не иметь значительного износа. Для примера воспользуемся продуктами компании Qedmotorsport.

Любой комплект доработок включает в себя впускной коллектор с индивидуальными дросселями на каждый цилиндр диаметром 45 мм, новый регулятор давления топлива, топливную рампу, новую систему управления двигателем (ECU), двухступенчатый ограничитель максимальных оборотов и поставляется в сборе с комплектом проводки. Система омологирована для применения в автоспорте.

Минимальный уровень доработок гарантирует мощность 190-200 л. с. при установке распределительных валов с большой высотой кулачков и более крепких болтов шатунов. Цена такого комплекта – 1 800 фунтов. Небюджетно, зато все рассчитано не в гараже на коленке, а профессионалами.

Хотите больше? Набор доработок C20XE до 210 л. с. включает в себя замену поршней для работы на более высоких оборотах, разрезные шестерни ГРМ для тонкой настройки фаз и еще более «агрессивные» распределительные валы. Цена такого комплекта уже 2 300 фунтов.

Для получения еще 10 л.с. сверху, с пределом мощности 215-220 л.с., комплект получает новые распредвалы, предназначенные для работы без гидрокомпенсаторов, новые толкатели, новые клапанные пружины. Цена такого комплекта уже 2 550 фунтов.

Топовый комплект, с максимальной мощностью до 245 л.с., включает в себя тот же набор, что и предыдущий, но настроенный на более высокие обороты и нагрузку. Цена – 2 750 фунтов. Готовый же двигатель с сертификатом стенда на 240-260 л.с. имеет цену порядка 3 500-5 000 фунтов, в зависимости от производителя.

Максимальный уровень мощности, который имели заводские гоночные команды с таким мотором, – порядка 280-320 лошадиных сил при неограниченном бюджете.

Другой пример – очень популярный на раллийных Fiesta и Focus мотор 2,0 Duratec. Те же 2 литра и 150 л.с., но более современная конструкция. Для примера возьмем английские доработки Omex Technology Systems.

Мотор с комплектом доработок до мощности в 180 л.с. стоит 5 995 фунтов без учета налога с продаж. В комплект входит новый впускной коллектор с индивидуальными впускными патрубками и дроссельными заслонками, система управления, «злые» распределительные валы, усиленные болты шатунов и выпускная система. Максимальные обороты – 7 800 в минуту, максимальная мощность достигается при 6 500.

Мотор с комплектом доработок до 200 л. с. включает в себя уже доработки ГБЦ и камер сгорания. Цена такого мотора – 6 895 фунтов без учета налогов. Максимальная мощность достигается при 7 000 оборотов.

Максимальный уровень доработки до мощности 260 сил – это кованые поршни для высочайших нагрузок, Н-образные кованые шатуны, более эластичные пружины клапанов и комплект облегчения ГРМ, более производительные форсунки и другие доработки. Максимальные обороты 8 700, максимальная мощность при 8 500 оборотах. Цена такого двигателя уже 11 595 фунтов.

В общем, как видите, правильный «атмосферный тюнинг» – это довольно дорого, сложно, а отдача на выходе не то чтобы ошеломляющая.

Эффект

Даже при небольшом увеличении максимальных оборотов можно существенно прибавить в мощности, если уменьшить падение крутящего момента или даже чуть увеличить его на максимальной скорости вращения.

При сохранении величины крутящего момента за счет его переноса в зону более высоких оборотов можно получить рост мощности на 30-40%. Фактически именно перестройка впуска является залогом высокой мощности атмосферного двигателя, а ограничением здесь выступают возможности поршневой группы.

Предел конструкции

Чем выше степень форсирования атмосферного мотора, тем больше усилий нужно прилагать. Обороты до 7 тысяч не требуют особых усилий, если максимум стокового мотора был на уровне 6 тысяч.

Каждая тысяча оборотов сверх дается дорогой ценой. Все элементы должны становиться легче и прочнее, а это не просто сложно, а очень сложно сочетать. Уже 10 тысяч оборотов для стандартной поршневой группы типичного «квадратного» мотора – недостижимая мечта. Большая часть сильно форсированных двигателей ограничивается оборотами 8 500-9 000 в минуту. Конструкции с особо коротким ходом поршня могут попытаться получить и более высокие обороты. Скажем, малоразмерные мотоциклетные моторы вполне неплохо себя чувствуют на оборотах за 13 тысяч, но форсировать до такой степени «гражданский» автомобильный мотор нереально.

Все ухищрения бесполезны, потери в поршневой группе возрастают слишком быстро. И даже серьезные переделки механизма ГРМ для повышения КПД уже не помогут, хотя для мотоциклетных и гоночных короткоходных есть еще пути. Скажем, есть такая штука как десмодромный клапанный механизм, где не используются пружины – они выдерживают экстремально высокие обороты. Но это дорого и неоправданно – сейчас такой механизм используют только на мотоциклах Ducati, и в основном ради имиджа. А на машинах формулы использовали «пневмопружины» клапанов, позволяющие «играть» упругостью в широких пределах.

Словом, еще раз повторю уже сказанное выше. Серьезно поднять мощность мотора без применения того или иного наддува невозможно. О «наддувном тюнинге» я расскажу во второй части рассказа о форсировке.

Опрос

Вы когда-нибудь пробовали форсировать атмосферный мотор?

Всего голосов:

Атмосферный или турбированный двигатель

Главная » Двигатели » Атмосферный или турбированный двигатель

просмотров 3 296

Что такое атмосферный и турбированный двигатель (мотор) доподлинно известно производителям моторов, да небольшому кругу специалистов, которые занимаются ремонтом двигателей. Большая часть автомобилистов имеет слабое представление о различиях этих двух типов.

Атмосферный

Обычный классический двигатель внутреннего сгорания (АДВС), имеющий давно разработанную конструкцию, доведённую до совершенства за долгие годы эксплуатации.

Турбированный

ДВС (ТДВС), но в его конструкцию добавили турбину, закачивающую воздух под давлением, заметно увеличивая мощность моторов. У каждого типа двигателя имеются как положительные, так и отрицательные стороны. Минусом АДВС принято считать малую мощность, невысокую экономичность, устаревшую конструкцию и большой вес. Атмосферные двигатели отличаются скромной динамикой и невозможностью выдавать номинальную мощность в горной местности с разреженным воздухом.

Однако вся автообщественность отмечает высокую надёжность как главный плюс этого типа моторов, что для российских условий эксплуатации перевешивает все минусы. За время доработок и усовершенствования в двигателе почти не осталось элементов, которые могут сломаться.

Последними изменения в конструкции этого типа моторов произведены около 20 лет назад и в настоящее время какие-либо новшества в конструкцию двигателей вносятся разве что из соображения снижений вредных выбросов. АДВС не только надёжен, но и не прихотлив. Он легче переносит «пытки» плохим бензином, что весьма актуально для владельцев автомобилей бюджетного класса. Этот тип однозначно имеет больший ресурс по сравнению со своим турбированным собратом.

И только с хорошей стороны показал свою трудоспособность и выносливость. Многие моторы вне зависимости от топлива проезжают до 500 тыс.км без каких-либо серьёзных вмешательств. Известны и такие автоэкземпляры, у которых кузов сгнил полностью, а мотор потом успешно эксплуатировался на другом транспортном средстве.

В смысле ремонтопригодности атмосферный двигатель можно перебрать полностью и снова собрать, что по сравнению с ТДВС обойдётся намного дешевле.

Видео

Турбированный  тоже имеет как достоинства, так и недостатки. К последним относится сложность конструкции, недолгий срок службы турбины и небольшой ресурс самого ТДВС. Поломки этого типа случаются чаще, т. к. и турбина работает при высоких температурах, и сам двигатель эксплуатируется в условиях повышенных нагрузок. Чтобы увеличить эксплуатацонный срок турбины рекомендуется перед отключением дать поработать ей на холостых оборотах и остыть.

При интенсивной езде расходуется больше топлива, а к его качеству турбированные двигатели предъявляют высокие требования.

Эксплуатация и уход за турбиной усложнены из-за необходимости применения специальных масел, установки турбо-таймера и т. д. Для их обслуживания и ремонта требуются специалисты высокой квалификации. А большой расход масла для турбодвигателей – это нормальное явление.

Причём, этот тип мотора требует регулярной замены и масляного фильтра: и масло и фильтр служат меньше, чем у атмосферных, в 2 раза. Одно из достоинств ТДВС – высокая мощность при малом объёме, что позволяет добиваться низкого расхода топлива в городских режимах движения и снижения вредных выбросов. За счёт дополнительного турбонаддува топливо сгорает практически без остатка. Такой тип устанавливается на тяжёлых автомобилях. Владельцы машин с ТДВС в полной мере могут наслаждаться не только динамикой в движения и бесшумностью, чем не может похвастать атмосферный мотор.

Стоимость эксплуатации двигателя напрямую зависит от его конструкции. Для моторов со сложной конструкцией необходимы качественное масло и бензин. Они требуют и квалифицированного дорогостоящего сервиса. И чем проще конструкция ДВС, тем дешевле обходится его содержание и поддержание нормальной работы. В настоящее время большинство автопроизводителей стремятся увеличить мощность моторов, и, стараясь уменьшить расход, перешли на выпуск машин с турбированными двигателями. Это позволяет выпускать экологичные и достаточно мощные транспортные средства, но приводит к усложнению конструкции ТДВС, а значит, к уменьшению его ресурса.

Приобретая новый автомобиль с турбированным двигателем владелец пользуется его достоинствами до тех пор, пока не столкнётся с необходимостью ремонта. По окончании гарантийного срока машина с ТДВС превращается в скопище проблем. Поэтому, обладатели машин с ТДВС эксплуатируют его до окончания гарантийного срока, а затем стараются от него избавиться. Покупатели подержанных машин должны заранее рассчитывать предстоящие затраты, если ресурс двигателя вызывает сомнения. От продажи подержанной машины с турбированным мотором продавец потеряет средств больше, чем потерял бы, продавая атмосферный двигатель с гораздо большим ресурсом.

Какой же их двух типов предпочтительнее? Если говорить о динамике и мощности, то, конечно, выбирать следует турбированный. Но с ним нужно готовиться к расходам на качественное топливо, масло, эксплуатацию. В этом же смысле менее прихотливым и требовательным является атмосферный двигатель. Он подходит для тех, кто ограничен в средствах.

Впрочем, сейчас можно турбировать и атмосферный двигатель, но и эта работа очень затратна: потребуются дополнительные материалы и их установка. Придётся купить турбину, интеркулер, дополнительный блок-перехватчик. Оптимизируется топливная система — устанавливается бензонасос с большей мощностью, усиливается поршневая группа.

Нужно покупать форсунки, пропускная способность которых больше, и многое другое. Тюнинг двигателя обойдётся не дёшево и прежде чем заняться этим, следует убедиться в его необходимости.

Проголосуйте, понравилась ли вам статья? Загрузка…

История парового двигателя

История парового двигателя [Главная страница истории Steam] [Карта сайта истории Steam] [Домашняя страница вводного учебника по химической инженерии] [Дополнительные материалы к учебнику]

Краткая история парового двигателя

Резюме Карла Лиры

Одной из самых значительных промышленных проблем 1700-х годов было удаление воды из шахт. Пар использовался для откачки воды из шахт. Теперь это может показаться, что имеет очень мало общего с современной паровой электроэнергией растения.Однако один из основополагающих принципов, используемых при разработке паровая энергия — это принцип, по которому конденсация водяного пара может создавать вакуум. В этой краткой истории рассказывается, как конденсация использовалась для создания вакуума. для работы первых паровых насосов, и как Джеймс Ватт изобрел отдельный конденсатор. Хотя циклические процессы, представленные в этой истории, не используются в современных паровых турбинах с непрерывным потоком в современных системах используются отдельные конденсаторы. работает при давлении ниже атмосферного, применяя описанные здесь принципы.Кроме того, рассказы об изобретателях и их изобретениях позволяют лучше понять процесс технологических открытий.

Демонстрация вакуума

Один из важнейших принципов, применяемых при работе с паровой тягой. это создание вакуума путем конденсации. Эта ссылка представляет собой простую иллюстрацию используя бутылку безалкогольного напитка и кипяток. Демонстрация демонстрирует, как конденсация внутри резервуара создается вакуум. В насосе Savery, описанном ниже, используется метод очень похоже на продемонстрированный метод.Вакуум Демо.

Спасательный насос

Раньше одним из распространенных способов удаления воды было использование серии ковшей на шкивной системе, управляемой лошадьми. Это было медленно и дорого так как животные нуждались в корме, ветеринарии и жилье. Использование пар для перекачивания воды был запатентован Томасом Савери в 1698 году, и, по его словам, предоставил «двигатель для подъема воды с помощью огня». Насос Савери работал нагревая воду до ее испарения, заполняя резервуар паром, а затем создавая вакуум, изолировав резервуар от источника пара и конденсируя пар.Вакуум использовался для забора воды из шахт. Однако вакуум мог набирайте воду только с небольшой глубины. Еще одним недостатком помпы была использование давления пара для удаления воды, которая была втянута в резервуар. В принципе, давление можно использовать для выталкивания воды из бака вверх. 80 футов, но взрывы котлов не были редкостью, так как конструкция герметичного котлы были не очень продвинутыми. По этой ссылке вы найдете подробную информацию о работе Savery. Описание насоса..

Атмосферный двигатель Newcomen

Томас Ньюкомен (1663-1729), кузнец, 10 лет экспериментировал, чтобы разработать первый по-настоящему успешный паровой двигатель, приводящий в действие насос для удаления воды из мины. Его способность продавать двигатель была ограничена обширным патентом Савери. Он был вынужден основать фирму с Savery, несмотря на улучшение показателей. его двигателя, значительные механические отличия, устранение потребность в давлении пара и использование вакуума совсем другим способом.А Схема двигателя Ньюкомена показана на рисунке 1. Двигатель называется «атмосферный» двигатель, потому что максимальное давление пара составляет около атмосферное давление.

Рис. 1. Иллюстрация атмосферного двигателя Ньюкомена для перекачивания воды.

Принцип работы. Паровая машина состоит из паровой поршень / цилиндр, который перемещает большую деревянную балку для привода водяного насоса. Двигатель не использует давление пара для выталкивания парового поршня ! Скорее, система сконструирована таким образом, что балка тяжелее со стороны основного насоса, и сила тяжести тянет вниз основную насосную часть балки.Вес добавляется к со стороны основного насоса, если необходимо. Насосы на Рисунке 1 вытесняют воду по восходящей ход поршня насоса соответствует насосам, используемым в оборудовании в то время, и обсуждение следует за этой конструкцией. Чтобы нарисовать вода в основной насос в правой части диаграммы, рассмотрим цикл это начинается с того, что луч опускается вправо. Цилиндр под паром поршень сначала заполняется паром атмосферного давления, а затем распыляется вода в цилиндр для конденсации пара.Разница давлений между атмосферой и в результате вакуум выталкивает пар поршень вниз, потянув поршень основного насоса вверх, поднимая воду над поршнем основного насоса и заполняя нижнюю камеру основного насоса водой. В нижней части хода парового поршня открывается клапан для восстановления паровой цилиндр до атмосферного давления, и луч направо опускается вниз под действием силы тяжести, позволяя главному поршню упасть. Когда основной поршень падает, вода из-под поршня проходит в камеру над поршнем, как будет объяснено ниже.Пар атмосферного давления поступает в паровой цилиндр. во время этого шага, позволяя повторить процесс.

Двигатель Newcomen был лучшей технологией за 60 лет! Некоторые двигатели Newcomen использовались намного дольше, хотя и значительно уступали ваттным двигатели, которые последовали. Подробнее о работе и фото самого старого существующий механизм Ньюкомена, см. Ньюкомен Описание двигателя.

Ваттный атмосферный паровой двигатель

Рисунок 2.Иллюстрация атмосферного двигателя Ватта для перекачивания воды. Главный насос не показан. (По гравюре Стюарта, 1824 г., С. 114.).

Двигатели

Newcomen были крайне неэффективны. Пользователи узнали, как требовалось много энергии. Паровой цилиндр многократно нагревали и охлаждали, что тратило энергию на повторный нагрев стали, а также вызывало большие тепловые потери. стрессы. Джеймс Ватт (1736-1819) совершил прорыв, используя отдельный конденсатор.Ватт открыл отдельный конденсатор в 1765 году. (См. Эксперимент Ватта.) Прошло 11 лет, прежде чем видел устройство на практике! Самое большое препятствие для реализации двигателя Ватта была технология изготовления большого поршня / цилиндра с достаточно узкими допусками, чтобы запечатать умеренный вакуум. Технология улучшилась примерно в то же время, когда Ватт обнаружил финансовую поддержка, в которой он нуждался, благодаря партнерству с Мэтью Бултоном.

Принцип работы. Двигатель Ватта, как и двигатель Ньюкомена, работающий по принципу разницы давлений, создаваемой вакуумом с одной стороны поршня, чтобы протолкнуть паровой поршень вниз. Однако паровой цилиндр Ватта вообще оставался горячим. раз. Клапаны позволяли пару течь в отдельный конденсатор. а затем откачивали конденсат вместе с любыми газами с помощью воздушного насоса. (См. Рисунок 2.)

Для подробностей работы и фото пары двигателей Ватт используется для перекачивания воды, см. Ватт Описание двигателя.

Поршень двустороннего действия и роторный двигатель

Рис. 3. Иллюстрация двигателя двойного действия Boulton-Watt. (Адаптировано с гравюры Стюарта, 1824 г., стр. 128).

Watt and Boulton успешно применили свой двигатель для откачки воды из колодцы. Бултон был дальновидным промышленником и воспользовался возможности применить двигатель в других отраслях.Перемещение паровой двигатель в помещении, устройство стало полезным для работы мельниц и текстильные фабрики и др.

Двигатель, изображенный слева, является примером двигателя позднего 1700-е гг. Обратите внимание на цепь, которая раньше соединяла поршень с балкой. двигатели заменены на механизм параллельного хода. Ватт сказал его сын, что он гордился этим изобретением даже больше, чем он был сам двигатель. Механизм позволял поршню действовать в идеально выровненное движение вверх / вниз, пока луч идет по дуге.Механизм Также появилась возможность переносить работу восходящим ходом! Steam — это наконец-то делает работу толкая вверх! Используемые для этого котлы В устройстве также находятся котлы атмосферного давления. Цилиндровое пространство над поршень соединен с вакуумом конденсатора, чтобы позволить пар, чтобы подтолкнуть поршень.

Двигатель слева также содержит еще одно улучшение, которое было необходимо. для управления механизмами с постоянной скоростью — подключен регулятор скорости к дроссельной заслонке.

Подробнее о двигателе двойного действия, механизме параллельного движения, регулятор скорости, а также система солнечных и планетарных шестерен (без изображения на рисунке 3), включая фотографии, см. Двойное действие Описание двигателя.

Биография Джеймса Ватта и история двигателя

История Джеймса Ватта и разработки двигателя чрезвычайно интересна. Воспользуйтесь этой ссылкой, чтобы найти биографию Ватта.История поможет вам понять, как двигатель стал больше, чем водяной насос и как Вышеупомянутые события относятся к человеку и времени.

важных дат в развитии Steam Двигатель

Краткая библиография книг и ресурсов для Изучение паровых двигателей и Джеймса Ватта

Карта сайта

Чтобы перейти в каталог сайта, щелкните здесь.


Спасибо за проявленный интерес!

Обновлено 21.05.13, Авторские права 2001-2013, Карл Т.Лира, [email protected] Все права защищены.
Подготовлено как дополнение к вводному Химическая инженерия Термодинамика.

BBC — Девон — Откройте для себя Девон

Томас Ньюкомен родился в Дартмуте в 1663 году и внес значительный вклад в промышленную революцию, создав атмосферный двигатель.

К 1685 году Ньюкомен стал торговцем скобяными изделиями в своем родном городе.

Некоторыми из его крупнейших клиентов были владельцы шахт в Корнуолле, которые столкнулись со значительными трудностями при затоплении, поскольку шахты становились все глубже.

Стандартные методы, используемые для удаления воды — ручная откачка или команды лошадей, тянущих ведра на веревке, — были медленными и дорогими, и они искали альтернативу.

В 1712 году Ньюкомен изобрел первый в мире успешный атмосферный паровой двигатель.

Двигатель перекачивает воду с помощью вакуума, создаваемого конденсированным паром.

Он стал важным методом слива воды из глубоких шахт и, следовательно, был жизненно важным компонентом промышленной революции в Великобритании.

Изобретение Ньюкомена позволило развести шахты на большие глубины, чем это было экономически возможно раньше, и таким образом помогло добыть уголь, железо и другие металлы, которые были жизненно важны для развития промышленности.

Атмосферный двигатель с некоторыми основаниями может претендовать на звание самого важного изобретения промышленной революции.

Newcomen Engine

Хотя его КПД составлял всего один процент, это было дешевле, чем использование лошадей для приведения в действие насоса.

Первый рабочий двигатель Newcomen был установлен на угольной шахте в замке Дадли в Стаффордшире в 1712 году.

У него был цилиндр диаметром 21 дюйм и длиной почти восемь футов, и он работал со скоростью 12 движений в минуту, поднимая 10 галлонов воды. с глубины 156 футов.

Двигатели были прочными и надежными и работали днем ​​и ночью, что сделало их чрезвычайно успешными.

К моменту смерти Томаса Ньюкомена в 1729 году в Великобритании и по всей Европе работало не менее 100 его двигателей.

Они использовались на протяжении 18 века и по-прежнему имели влияние в 20 веке.

Один двигатель в Pentich все еще работал 127 лет после того, как он был впервые установлен.

Однако Ньюкомен не умер богатым человеком. Он не получил большого признания за свое изобретение, большая часть внимания пришлась на Джеймса Ватта, который усовершенствовал идею Ньюкомена.

Этот принцип был использован в следующем столетии для создания «Атмосферной железной дороги», где поезд двигался по линиям, приводимый в движение перепадом давления, создаваемым в трубе, соединенной с паровыми машинами вдоль маршрута.

Анимированная иллюстрация любезно предоставлена ​​Обществом Ньюкоменов США.

Атмосферный двигатель Ньюкомена | Коллекция Музея науки

Двигатель Newcomen, построенный Фрэнсисом Томпсоном из Ашовера около Честерфилда в 1791 году. Восстановленный в доме, построенном из материалов, взятых из машинного отделения в Пентрихе, Дербишир, где он работал в последний раз.

Томас Ньюкомен был первым человеком, который разработал практичный паровой двигатель, и с его успехом стал доступен искусственный источник огромной энергии, который заменил неопределенную силу ветра, воды и животных.Его изобретение больше, чем любое другое, превратило неуклонный прогресс промышленного прогресса в промышленную революцию, сделав возможным осушение глубоких шахт и полную эксплуатацию минеральных богатств Западной Европы. В эпоху без станков и надежных металлов Ньюкомен преуспел, потому что он понимал, что должен создать двигатель, исходя из доступных материалов и навыков. Его двигатели были построены как дома, их цилиндры были отлиты создателями пушек, а их котлы, как котлы, производили пар с давлением чуть выше атмосферного.

Пар конденсировался внутри перевернутого цилиндра, создавая таким образом частичный вакуум, и именно давление атмосферы заставляло поршень опускаться и через качающуюся балку поднимало тяжелые насосные штоки, висящие внутри шахты. Таким образом, цилиндр подвергался внешнему давлению и возможность его разрыва была исключена.

Теория двигателя Ньюкомена вытекает непосредственно из экспериментов ученых семнадцатого века.Его строительство зависело от более старых навыков плотника, каменщика, кузнеца и других. Первый двигатель был установлен недалеко от Дадли в 1712 году. Двигатель Музея науки является поздним примером, что можно увидеть по использованию чугуна для балки, ранее сделанной из дерева с деталями из кованого железа.

Инженерные хронологии — Томас Ньюкомен

Томас Ньюкомен

продолжение

Первый атмосферный двигатель

Хотя мало что известно о деятельности Ньюкомена за десять лет до 1711 года, вполне вероятно, что он потратил время на усовершенствование первого в мире практического парового двигателя, который позже стал известен как «атмосферный» двигатель.У него определенно была мастерская в Дартмуте в Девоне, где он и его деловой партнер Джон Калли экспериментировали с моделями и прототипом. Первый известный двигатель Ньюкомена, который успешно работал, был установлен на Стаффордширской шахте в 1711-12 годах.

Итак, как он пришел к рабочему решению для стационарного парового двигателя? Ньюкомен знал, что поршень может быть приведен в движение вниз по цилиндру, заполненному вакуумом, только за счет давления атмосферы, как это продемонстрировали другие экспериментаторы.Он стремился использовать потенциальную силу этого, используя принцип качелей.

Если вы возьмете большую балку и закрепите ее посередине, при этом шток поршня будет прикреплен к одному концу, а противовес — к другому, вес будет увеличиваться по мере опускания поршня. Если груз представляет собой ведро с водой, его можно опорожнить в верхней части хода, и если это действие повторяется бесконечно, у вас есть эффективный насос.

Для работы насоса цилиндр сначала заполняется паром, который подается в него от котла.Для создания вакуума необходимо конденсировать пар. Сначала (и, возможно, в течение нескольких лет) для этого Ньюкомен охлаждал свой цилиндр снаружи, используя холодную воду, протекающую внутри свинцового кожуха вокруг котла — очень медленный процесс.

По словам шведского инженера Мартена Триевальда (1691-1747), который позже работал с Newcomen, прорыв в области эффективного конденсирования пара был счастливой случайностью. Латунный цилиндр прототипа имел дефект литья, который был отремонтирован оловянным припоем.После многих циклов испытаний ремонт не удался, и холодная вода из рубашки охлаждения брызнула в цилиндр через крошечное отверстие. Пар немедленно конденсировался, создавая настолько сильный вакуум, что поршень упал с достаточной силой, чтобы пробить основание цилиндра и разбить крышку котла внизу.

Ньюкомен изменил свой прототип так, что холодная вода впрыскивалась прямо в цилиндр. Ход теперь стал намного быстрее и мощнее, хотя использование двигателя было трудоемким, поскольку все клапаны управлялись вручную.

Не желая сдаваться, он продолжал совершенствовать двигатель, в конечном итоге решив ряд проблем, например, как предотвратить попадание воздуха в цилиндр вместе с паром, что снизило вакуумный потенциал, и как слить горячий конденсат из цилиндра. . Он также нашел способ сделать клапаны впрыска пара и воды самодействующими.

Будучи человеком из Девона, Ньюкомен знал о проблемах, с которыми сталкиваются местные горняки, пытаясь сохранить выработки сухими.В Корнуолле, где у многих прибрежных рудников были туннели, уходящие под воду, вода ограничивала глубину добычи. Томас Савери (около 1650-1715) пытался заинтересовать горняков Корнуолла своим собственным насосом, установив один в 1702 году, но он не смог поднять воду с достаточной глубины. Он отказался от своих попыток в 1705 году.

В том же году Newcomen, как утверждается, вступила в партнерство с Savery. Поскольку Савери владел патентом на «пожарные машины», Ньюкомен, возможно, решил, что его усилия лучше направить на производство двигателей по этому патенту, а не на создание отдельного патента.Он не был богатым человеком и, возможно, был напуган возможной стоимостью нового патента, включая перспективу оспаривания авторских прав Савери.

Говорили, что к 1710-11 годам в Корнуолле находились один или два паровоза Ньюкомена. Это не подтверждено, но вполне вероятно. Первый из них, по всей видимости, заправленный газоном, находился на шахте Balcoath Mine недалеко от Поркеллиса в районе Вендрон, где с 1644 года олово добывалось в основном из аллювиальных отложений. Другой двигатель упоминается в оловянном руднике Wheal Vor (Great Work) в Брейдж возле Хелстона.

Двигатель Ньюкомена показал, насколько больше работы можно сделать с использованием механизации по сравнению с ручным или животным трудом. Но по современным меркам это было неэффективно, поскольку потреблялось огромное количество угля для относительно небольшой выработки электроэнергии. Это сделало это предложение очень дорогим для юго-запада Англии, где нет естественных угольных месторождений.

Возможно, тогда это более чем случайность, что первый известный успешный двигатель Ньюкомена был установлен на шахте, что дало ему готовый источник дешевого (или бесплатного) топлива.Он был построен (1711-12) в Coneygree Park или Tipton Field в Стаффордшире, недалеко от замка Дадли, и использовался для откачки воды из угольной шахты на глубине почти 47 метров. Он работал со скоростью 12 ударов в минуту. Ньюкомен и Калли лично контролировали его строительство.

Этот двигатель вскоре стал известен, и посетители из Англии и Европы очень хотели увидеть, как он работает. Однако люди из Девона не хотели разглашать подробности — копирование идей было трудно предотвратить — и Тривальд утверждает, что даже послу Испании в Лондоне было отказано во въезде в машинное отделение.

Незадолго до того, как Ньюкомен и Калли начали строить больше двигателей в Мидлендсе и дальше на север, а также нанимать других инженеров. Их бизнес расширялся, а технологии производства улучшались. Успех манил.

основная ссылка Сделки Общества Ньюкоменов

Атмосферный двигатель Отто-Лангена | Старый машинный пресс

Уильям Пирс

Перед тем, как посвятить свою жизнь разработке двигателей, Николаус Отто продавал товары в продуктовых магазинах Кельна, Германия, но всегда интересовался наукой и технологиями.Отто полностью сосредоточился на двигателях внутреннего сгорания примерно в 1860 году, прочитав о двигателе Этьена Ленуара. Он был так очарован, что в 1861 году у него был образец, построенный для экспериментов.

Чертеж двигателя Отто-Лангена около 1866 года. Обратите внимание на поршень (K) и его рейку (X) в цилиндре (A). На чертеже также показана ранняя версия обгонной муфты (S).

Отто пробовал множество модификаций атмосферного двигателя Ленуара в поисках лучших характеристик.Одно интересное открытие заключалось в том, что когда цилиндр и поршень двигателя использовались для сжатия поступающего воздуха и заряда топлива, полученный рабочий ход имел достаточно энергии для вращения коленчатого вала на несколько оборотов. В то время как Отто обнаружил ряд усовершенствований атмосферного двигателя Ленуара, создание компрессионного двигателя было немного выше современных технологий. Отто уже потратил свои сбережения и то, что позаимствовал у друзей. Чтобы продолжить исследования и разработать атмосферный двигатель, ему потребовались деньги.

Некоторое время Ойген Ланген руководил семейным бизнесом по переработке сахара в Кельне, Германия, но, как и Николаус Отто, его истинной страстью были наука и технологии. Ланген стал довольно богатым человеком благодаря семейному бизнесу и нескольким собственным предприятиям. В 1863 году его бизнес шел гладко, и он искал новое предприятие. Ланген читал о двигателе Ленуара и размышлял, как такое устройство может принести пользу промышленности.

Репродукция обгонной муфты, созданной Уэйном Греннингом из Grenning Models.Движение шестерни против часовой стрелки приводит к остановке башмаков и позволяет шестерне свободно вращаться от внутренней ступицы. Когда шестерня вращается по часовой стрелке, башмаки скользят по роликам до тех пор, пока они не заклиниваются между шестерней и внутренней ступицей, фиксируя их вместе. Изначально сцепление было разработано Францем Рёло, а позже сцепления, использованные на Отто-Лангене, имели три башмака. (Изображение Уэйна Греннинга)

Неизвестно, как именно познакомились Отто и Ланген. Возможно, Отто искал Лангена в качестве финансового спонсора, или, возможно, они встретились через третье лицо.Тем не менее, 9 февраля 1864 года Ланген стал свидетелем работы неочищенного атмосферного двигателя Отто. Ланген увидел потенциал в двигателе и его изобретателе. 31 марта 1864 года Ланген и Отто основали компанию N.A. Otto & Cie для разработки и производства двигателей внутреннего сгорания.

Другие репродукции, построенные Уэйном Греннингом. Поршень с прикрепленной к нему рейкой показан снаружи колонны корпуса цилиндра. Поршень и рейка весят около 80 фунтов (36 кг). Шпильки, видимые в основании колонны, служат местом крепления золотникового клапана.(Изображение Уэйна Греннинга)

Три года экспериментов и усовершенствований произошли до того, как у N.A. Otto & Cie появился рыночный двигатель, превосходящий конкурентов. Одноцилиндровый атмосферный двигатель Otto-Langen мощностью 0,5 л.с. (0,37 кВт) дебютировал на Международной выставке 1867 года в Париже, Франция (Exposition universelle de 1867). Ничто в двигателе не выглядело примечательным, но интерес вызвали, когда демонстрация показала, что двигатель потребляет половину газа, чем другие двигатели той же мощности.Замечательно эффективная работа двигателя принесла ему главный приз.

Двигатель Отто-Лангена состоял из вертикальной колонны, образующей один цилиндр. Свободный поршень устанавливали в цилиндр головкой поршня вниз. К верхней части поршня была прикреплена зубчатая рейка, которая вертикально выступала над двигателем. Рейка включала одностороннюю обгонную муфту (обгонную муфту), которая была установлена ​​на главном приводном валу двигателя. Сцепление было первым в своем классе и было разработано Францем Рёло.Маховик был установлен с одной стороны главного приводного вала, а шкив ременной передачи — с другой стороны. Со стороны маховика главного ведущего вала находилась шестерня главного привода. Главная шестерня включала вспомогательную шестерню, которая приводила в движение вспомогательный вал. Обычно вспомогательная шестерня была больше и имела больше зубьев, чем основная шестерня. Разница привела к тому, что скорость вспомогательной шестерни была ниже, чем у основной передачи, что помогло уменьшить ударные силы на привод вспомогательной шестерни.

Двигатель Отто-Лангена, вид сверху на Исторической ассоциации инженеров грубой очистки в Кинзерсе, штат Пенсильвания.Это самый старый двигатель внутреннего сгорания в Америке. На главном приводном валу (вверху) слева направо установлены маховик, главная ведущая шестерня, обгонная муфта и ременная передача. На вспомогательном валу (внизу) слева направо установлены вспомогательная ведущая шестерня, вторичный эксцентрик, главный эксцентрик и храповая шестерня. (Изображение Rough and Tumble Engineers)

Вспомогательный механизм был установлен на вспомогательный вал и приводил его в движение. Также на вспомогательном валу были два эксцентрика и храповик.Храповой механизм прикреплялся непосредственно к вспомогательному валу и вращался вместе с ним. Два эксцентрика работали независимо от вспомогательного вала и были в основном неподвижными. Собачка включит храповой механизм и приведет в движение главный эксцентрик. Этот эксцентрик поднимал узел поршня и рейки, а также приводил в движение второй эксцентрик, который приводил в движение очищаемый вручную золотниковый клапан в основании двигателя через тягу управления. Когда эксцентрики поднимали поршень и золотник, смесь воздуха и топлива втягивалась в цилиндр.Затем золотниковый клапан выровняли с отверстием с внутренним пламенем, которое воспламенило газовую смесь в цилиндре.

На рабочем такте свободный поршень имел неограниченное движение вверх в цилиндре и использовал преимущество полного расширения газов в процессе сгорания. Когда поршень двигался вверх, рейка, прикрепленная к верхней стороне поршня, свободно перемещалась на муфте. Когда атмосферное давление и сила тяжести вернули рейку и поршень вниз, рейка включила обгонную муфту, которая приводила в движение главный приводной вал.Флайбольный регулятор приводился в движение вспомогательным валом и управлял выпускным клапаном. При закрытом выпускном клапане поршень не мог полностью опуститься. Когда скорость вспомогательного вала снижалась ниже желаемых оборотов в минуту, регулятор открывал выпускной клапан, что позволяло поршню опускаться. Это движение поршня и прикрепленного к нему узла зубчатой ​​рейки привело к срабатыванию рычага, который зацепил собачку с храповым механизмом, приводя в движение эксцентрики и впоследствии запуская двигатель.

Полноразмерная репродукция А. Греннинга.Мощность двигателя Отто-Лангена 5 л.с. (0,37 кВт). Вспомогательный вал находится на переднем плане, а собачка в центре изображения вот-вот войдет в зацепление с храповым механизмом. Храповой механизм будет приводить в движение эксцентрики. (Изображение Уэйна Греннинга)

Внутреннее пламя, воспламеняющее газовую смесь в цилиндре, гаснулось на каждом рабочем такте. Внутреннее пламя снова зажигалось внешним пламенем через отверстие на золотниковом клапане, которое совмещалось с перемещением клапана. Двигатель Отто-Лангена работал на осветительном газе, который обычно распределялся по окрестностям.07 фунтов на кв. Дюйм (0,005 бар). При стрельбе двигателю требовалось больше газа, чем могла подать магистраль. Использовался аккумуляторный мешок, в котором хранился избыток газа. Двигатель Отто-Лангена вытягивался из мешка при стрельбе, и газ пополнялся между пусками из линии подачи низкого давления.

Для охлаждения цилиндр был окружен встроенной водяной рубашкой. В двигателе Отто-Лангена использовалась термосифонная циркуляция. По мере того, как вода нагревается, она расширяется из отверстия в верхней части водяной рубашки и перетекает во внешний резервуар.При этом из внешнего резервуара и в двигатель забиралась холодная вода. Двигатель полагался на ручную внешнюю смазку, которая могла (и подавалась) во время работы двигателя. Дизайн и особенности Otto Langen обеспечили быстрый запуск и непрерывную работу.

На основании репродукции Греннинга Отто-Лангена изображен предохранительный золотниковый клапан (с латунным соединителем) и главный золотниковый клапан за ним. Главный золотниковый клапан приводился в действие вторичным эксцентриком.Шток с витой пружиной — это выпускной клапан с регулируемым управлением. Более поздние двигатели не имели предохранительного золотника, и регулятор управлял зацеплением собачки. (Изображение Уэйна Греннинга)

Из-за свободного поршня срабатывание цилиндра не было напрямую связано с частотой вращения приводного вала. При небольшой нагрузке цилиндр мог срабатывать один раз за каждые 25 оборотов вала главного привода. При больших нагрузках цилиндр мог срабатывать один раз на каждые два оборота. Двигатель обычно работал с частотой вращения главного приводного вала 90 об / мин.Однако скорость может быть увеличена до 120 об / мин или уменьшена примерно до 30 об / мин. Высокая и низкая скорости были продиктованы механическими ограничениями эксцентрика и движения золотникового клапана.

Завершенная репродукция Отто-Лангена

Греннинга — это фантастическая демонстрация того, как современные мастера оценивают старинную инженерию. После нескольких лет исследований Отто-Лангена, Греннингу потребовалось 14 месяцев, чтобы создать свой двигатель воспроизведения. (Изображение Уэйна Греннинга)

Корпус цилиндра на ранних двигателях Отто-Лангена был рифленым и напоминал греческую колонну, но эта дорогостоящая особенность не была включена в более поздние двигатели.Кроме того, ранние двигатели не имели регулятора и имели второй золотник. Вторичный золотниковый клапан действует как предохранительный элемент, перекрывая поток газа в цилиндр. Длительная эксплуатация двигателя показала, что предохранительный золотниковый клапан не нужен, и его убрали, чтобы сократить производственные затраты.

Успех Международной выставки в Париже вызвал поток заказов, которые N.A. Otto & Cie не могла выполнить из-за недостатка капитала. Людвиг Август Рузен-Рунге, бизнесмен из Гамбурга, оказал финансовую поддержку, и в 1869 году компания была переименована в Langen, Otto & Roosen.В том же году завод был переведен в Дойц, Германия. Был найден и найден дополнительный капитал, и в январе 1872 года была основана новая компания Gasmotoren-Fabrik Deutz AG (Deutz). В том же году Готлиб Даймлер и его протеже Вильгельм Майбах присоединились к Deutz.

Maybach получил задание модернизировать двигатель Отто-Лангена, чтобы упростить его конструкцию и снизить себестоимость производства. В обновленной конструкции был исключен вспомогательный вал и все двигалось от главного приводного вала. Цилиндр управляется регулятором с помощью защелки, а не с помощью выпускного клапана.Обновленный двигатель был доступен в конце 1873 года.

Вид на вспомогательный вал двигателя Греннинга. Левая сторона вала приводит в движение регулятор флайбола. На заднем плане — черный мешок-аккумулятор для газа и медный резервуар для воды. (Изображение Уэйна Греннинга)

Версия 0,25 л.с. (0,19 кВт) была самой маленькой версией Отто-Лангена, имела высоту 7 футов (2,1 м) и весила 900 фунтов (408 кг). Чтобы увеличить мощность, двигатель в основном увеличивали в размерах. Однако конструкция двигателя Отто-Лангена ограничивала его размеры, но при этом оставалась практичной.С вертикальным цилиндром и длинной стойкой, прикрепленной к поршню, Отто-Ланген был высоким и тяжелым двигателем. Существовали практические ограничения на высоту и вес двигателя. Вертикальный поршень имел тенденцию посылать значительные вибрации через землю с каждым ходом. Это сотрясало фундамент, могло повредить близлежащее оборудование и сделать установку над землей невозможной. Самым большим двигателем Отто-Лангена была модель мощностью 3 л.с. (2,24 кВт). Он был 12,7 футов (3,9 м) в высоту и весил 4 450 фунтов (2018 кг).

Двигатель Отто-Лангена мощностью 0,5 л.с. (0,37 кВт) развивал мощность при 110 об / мин на маховике с 40 рабочими ходами в минуту. Цилиндр имел внутренний диаметр 5,9 дюйма (150 мм) и максимальный ход 38,7 дюйма (985 мм). Максимальное смещение составляло 1062 кубических дюйма (17,4 л). Двигатель был 8,8 футов (2,65 м) в высоту и весил 1600 фунтов (725 кг). Узел поршня и стойки двигателя мощностью 0,5 л.с. (0,37 кВт) весил около 80 фунтов (36 кг).

Двигатель мощностью 2 л.с. (1,49 кВт) работал при 90 об / мин на маховике с 30 рабочими ходами в минуту.Цилиндр имел внутренний диаметр 12,5 дюйма (318 мм) и максимальный ход 40,5 дюйма (1030 мм). Максимальное смещение составляло 4992 куб. Дюйма (81,8 л). Двигатель мощностью 2 л.с. (1,49 кВт) имел высоту 10,7 футов (3,25 м) и весил 4 000 фунтов (1815 кг). Поршень и рейка сами по себе весили 116 фунтов (52,6 кг).

Первый двигатель Отто-Лангена выставлен в Музее двигателей Deutz Technikum в Кельне, Германия. У этого двигателя нет регулятора, а предохранительный золотник был удален через некоторое время после того, как двигатель был построен. Мешок газового аккумулятора находится справа.(Изображение Уэйна Греннинга)

К 1875 году конкуренция была в виде Ready Motor Джорджа Брайтона и других двигателей. Отто чувствовал, что атмосферный двигатель достиг своего апогея, но Даймлер все еще был заинтересован в разработке этого типа. Между Отто и Даймлером существовала напряженность, и эти люди не очень хорошо работали вместе. В 1876 году Отто впервые запустил свой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, используя цикл сгорания, который произвел революцию в мире. Разработка двигателя Отто-Лангена остановилась примерно в 1877 году, а производство двигателя в Deutz прекратилось примерно в 1878 году.Daimler и Maybach покинули Deutz в 1880 году и основали новую компанию по разработке двигателей и автомобилей. Компания Deutz по-прежнему занимается разработкой и производством двигателей внутреннего сгорания.

Между 1864 и 1882 годами компания Deutz и ее предшественники построили 2649 двигателей Отто-Лангена. Еще около 2000 двигателей были построены дочерними компаниями или по лицензии в Австрии (Langen & Wolf), Бельгии (E. Schenck & Co.), Великобритании (Crossley Brothers) и Франции (Sarazin / Panhard). На короткое время атмосферный двигатель Отто-Лангена лидировал в отрасли и стал первым в мире коммерчески успешным двигателем внутреннего сгорания.Возможно, величайшим достижением Отто-Лангена было то, что он стал ступенькой на пути к четырехтактному двигателю с циклом Отто. Уцелело около 23 двигателей Отто-Лангена, в том числе самый первый из построенных двигателей, который выиграл главный приз в 1867 году. Первый двигатель, которому более 150 лет, выставлен в Музее двигателей Deutz Technikum в Кельне, Германия, и он работает. в особых случаях.

Уэйн Греннинг из Grenning Models построил ряд репродуктивных двигателей Отто-Лангена. Он дает подробное объяснение работы двигателя на видео ниже.

Источники:
Внутренний пожар, , К. Лайл Камминс, младший (1989)
Зажигание пламени, , Уэйн С. Греннинг (2014),
Запуск и инструкции по эксплуатации двигателя Отто Лангена 1867 года, , Уэйн Греннинг (5 марта 2017 г.)
— https://sites.google.com/site/wgrenning/home
— «Улучшения в воздушных двигателях», патент США 67,659 Юджина Лангена и Никол. Огюст Отто (выдан 13 августа 1867 г.)
— «Усовершенствования в газомоторных двигателях», Патент США 153 245 Готтлиба Даймлера (выдан 21 июля 1874 г.)
— https: // collection.maas.museum/object/207174
— http://www.roughandtumble.org/ottolangen

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Эффективное окисление алканов в двигателе внутреннего сгорания и в атмосферных условиях

На рисунке 1 приведены важные исходные пути реакции при окислении алкана, включая автоокисление, как в области горения, так и в атмосфере. Серые цвета показывают радикальные реакции и промежуточные соединения, о которых сообщалось ранее 6,18 , а черным цветом показаны результаты, которые будут представлены в этом исследовании.В двигателях внутреннего сгорания при T> 500 K отщепление H из топливного алкана происходит в результате реакции с O 2 , тогда как в атмосфере при T ≈ 300 K отщепление H происходит в основном радикалами OH. Образующийся алкильный радикал (R) быстро присоединяет O 2 с образованием исходных радикалов RO 2 . В условиях горения последующее многостадийное самоокисление происходит посредством H-сдвига и добавления O 2 с образованием RO 2 с более высокой молекулярной массой; степень автоокисления ограничивается почти исключительно конкурирующим мономолекулярным обрывом через потерю ОН или HO 2 из RO 2 .В атмосферных условиях автоокисление ограничивается в основном бимолекулярными реакциями с участием радикалов RO 2 , в основном с NO, HO 2 и другими радикалами RO 2 (дополнительное примечание 2). Бимолекулярные реакции обрывают цепь, за исключением случаев, когда образуются радикалы обратного осмоса. Дальнейшее добавление кислорода возможно, когда RO распадается либо за счет H-сдвига, либо, в случае циклоалканов, через разрыв связи C – C.

Рис. 1: Общие механизмы реакции пероксирадикалов, RO 2 , при окислении алкана в соответствующих условиях горения (T> 500 K, красная область) и атмосферных (T ≈ 300 K, синяя область) условиях.

На рисунке показаны возможные пути распространения радикалов без учета реакций обрыва. Для линейных алканов n -декан используется для иллюстрации некоторых гипотетических примеров структур. Серые цвета отображают ранее описанные радикальные реакции и промежуточные соединения 6,18 , а черный цвет суммирует результаты этого исследования, показывая соединения с высоким содержанием кислорода, идентифицированные впервые. Вертикальные сетки разделяют молекулы с разным содержанием атомов кислорода. Обозначения «RO X> 2 » относятся к пероксирадикалам с общим количеством X O-атомов.

Из области горения в область атмосферы

Мы исследовали продукты, образующиеся при автоокислении линейных, разветвленных и циклических алканов, а также их обычные кислородсодержащие производные (карбонилы и спирты) в различных системах. В таблице 1 приведены все эксперименты, проведенные в данной работе.

Таблица 1 Обзор летучих органических соединений (ЛОС), использованных в этой работе.

Первоначально мы соединили реактор со струйным перемешиванием (JSR), работающий при температуре реакции, соответствующей горению, с CI-APi-TOF, используя NO 3 в качестве иона-реагента (см. «Методы», дополнительное примечание 3) .Масс-спектры, измеренные при окислении n -декана, 2,7-диметилоктана, n -бутилциклогексана и 2-деканона при 545 K, показаны на дополнительном рисунке 2, а спектры деканаля при 520 K показаны на рис. . 2а. Таблица 2 суммирует типичные продукты от самоокисления сгорания этих алканов и их кислородсодержащих производных, как измерено ранее фотоионизационной масс-спектрометрией (SVUV-PIMS) 6 и в этой работе CI-APi-TOF.

Фиг.2: Распределение продуктов в результате автоокисления ЛОС, измеренное с помощью масс-спектрометрии.

Масс-спектр деканаля находится в (, d ), а масс-спектр транс-декалина находится в ( и ). Левая и правая панели охватывают диапазоны масс продуктов аккреции мономера и ROOR соответственно. TME + O 3 реакции использовались для получения радикалов ОН, необходимых для инициирования окисления ЛОС во всех экспериментах, за исключением T = 520 K, где окисление инициировалось O 2 .Продукты C 13 являются результатом срастания между производным TME C 3 _RO 2 и производным декалином / деканалом C 10 _RO 2 . Спектры в a c были измерены из JSR, d e из проточного реактора Хельсинки.

Таблица 2 Типичные продукты, обнаруженные при автоокислении сгорания (545 K) алканов и их оксигенатов.

Предыдущие исследования предложили умеренную степень автоокисления для деканала 6 , и здесь мы используем этот оксигенированный вид в качестве эталона для автоокисления в температурной последовательности от 520 до 300 К.Во время автоокисления при 520 К в деканале (рис. 2а) наблюдается заметный сигнал при C 10 H 18 O 6 , подтверждая наши предыдущие наблюдения SVUV-PIMS 6 трех последовательных этапов добавления O 2 (Дополнительный рис. 3). Однако дополнительные пики, соответствующие C 10 H 18 O 8 и C 10 H 18 O 10 , указывают на четвертое и даже пятое добавление O 2 . Эти продукты содержат несколько групп –OOH и представляют собой ранее не обнаруженные промежуточные соединения, которые при разложении приводят к радикальному разветвлению цепи.Это открытие значительно обогащает наши представления о самовоспламенении в условиях двигателя, показывая, что самоокисление продолжается в значительно большей степени, чем считалось ранее, как для алканов, так и для их кислородсодержащих производных (дополнительная схема 6).

Затем мы постепенно снижали температуру JSR, чтобы исследовать переход от горения к атмосферным условиям. Мы использовали реакцию тетраметилэтилена (TME) с O 3 для образования радикалов OH, чтобы инициировать последовательность окисления.При T = 392 K (рис. 2b) спектры мономеров аналогичны спектрам при 520 K, но теперь появляются продукты аккреции ROOR 19 с сигналами при C 20 H 38 O 6,8,10, 12,14 . От T = 392 K до 334 K (рис. 2c) все наблюдаемые сигналы уменьшаются, особенно сигналы наиболее насыщенных кислородом молекул. Также появляются радикальные частицы с нечетными водородными числами — C 10 H 19 O 5,6,7 , и спектр теперь показывает продукты аккреции ROOR с молекулярными формулами, разделенными одним атомом O, а не O 2 .Все эти изменения предполагают менее эффективные H-сдвиги в RO 2 при более низких температурах и возрастающую роль по крайней мере одного H-сдвига в радикалах RO, приводящего к образованию сильно окисленных частиц (дополнительное примечание 4 и дополнительная схема 7 ). Отметим, что точные скорости окисления неизвестны на рис. 2a – c, поэтому их не следует сравнивать количественно.

При атмосферных условиях (~ 300 K), относительная влажность <1%, мы изучили окисление 6 алканов, а также 3 оксигенатов (таблица 1, дополнительное примечание 5), используя проточную реакторную установку в Университете Хельсинки («Методы »).Время пребывания 3 с позволяет отслеживать начальные стадии реакции автоокисления. В этой серии экспериментов, несмотря на короткое время реакции и низкую температуру, все еще наблюдаются высокие сигналы сильно насыщенных кислородом частиц. Это неожиданно, так как RO 2 H-сдвиги в алканах, как сообщается, происходят медленно и должны быстро приводить к обрыву радикалов 20,21 . Деканаль (рис. 2d) и бициклический алкан-декалин (рис. 2e) показывают самые высокие сигналы продукта, но HOM очевидны для всех протестированных ЛОС (дополнительные рис.5, 6, 8–12), за исключением n -декана и 2,7-диметилоктана (дополнительный рис. 13). Мы оценили молярные выходы ВОМ (дополнительное примечание 6) при Т = 300 К для всех ЛОС, образующих ВОМ, после реакции с ОН (дополнительная таблица 1). ЛОС можно разделить на три группы в зависимости от их способности производить ВОМ (рис. 3): (1) линейные и разветвленные алканы (не наблюдается образования ВОМ), (2) кислородсодержащие ЛОС (высокие выходы даже при низких скоростях окисления) и (3) циклоалканы (резко возрастающий выход с увеличением скорости окисления).Для кислородсодержащих летучих органических соединений альдегидная функциональность способствует самоокислению лучше, чем спирт, как это наблюдалось ранее 11,22 , а увеличенная длина цепи дополнительно поддерживает образование HOM. Выход HOM из деканаля в 5 раз выше, чем из гептаналя, что соответствует сообщаемым относительным выходам SOA между n -деканом и n -гептаном 23 . Для циклоалканов выходы HOM увеличиваются в следующем порядке: декалин> метилциклогексан> n -бутилциклогексан.Такое поведение качественно совпадает с выводами о том, что неалкилированные циклические соединения имеют тенденцию иметь более высокие выходы SOA, чем соответствующие алкилциклогексаны 17 . В целом, наши результаты предполагают, что автоокисление и образование HOM могут иметь решающее значение для объяснения выхода SOA для алканов, как было показано ранее для многих биогенных систем 4,24 .

Рис. 3: Молярный выход ВОМ при 300 К как функция прореагировавшего ЛОС, измеренный в проточном реакторе Хельсинки при времени пребывания 3 с.

Планки ошибок, включенные только для последней точки каждой кривой, показывают неопределенность измерения HOM. Многократное окисление ОН не происходит из-за высокой концентрации ЛОС (10 ppm) и короткого времени пребывания. Линейные алканы не давали наблюдаемых сигналов ВОМ в этих условиях.

Сильное увеличение молярных выходов HOM из циклоалканов с увеличением конверсии ЛОС (рис. 3) предполагает, что бимолекулярные реакции RO 2 важны для многостадийного автоокисления.Мы использовали простую кинетическую модель (дополнительное примечание 7), чтобы лучше понять наблюдаемое поведение, изображенное на рис. 3. Модель показывает, что почти постоянный молярный выход ТОВ из деканаля как функция прореагировавших ЛОС может быть объяснен (дополнительный рис. 14), предполагая, что HOM из деканала представляют собой в основном продукты самоокисления, которые подверглись одной стадии изомеризации RO (в дополнение к H-сдвигам RO 2 ). Напротив, более резкое увеличение в случае ГОМ декалина можно объяснить потребностью в двух этапах обратного осмоса (дополнительный рис.14). В некоторой степени альдегиды (которые являются продуктами окисления алканов первого поколения) «замыкают» одну стадию превращения RO 2 → RO, обеспечивая кислородсодержащий фрагмент, который предназначен для автоокисления, но также уязвим для фрагментации через C – C разрыв облигаций; это согласуется с наблюдаемыми более низкими, но ненулевыми массовыми выходами SOA из альдегидов по сравнению с предшественниками алканов с аналогичной летучестью 25 . Наши выводы о важности химии обратного осмоса подтверждают более ранние интерпретации, объясняющие большие различия в выходах SOA, наблюдаемые для разных алкановых групп 16 .Тем не менее, с нашей новой механистической идеей, различия могут быть напрямую связаны с самоокислением и образованием HOM со значительно более высокими выходами, чем считалось ранее.

Важность бимолекулярных реакций

Для более глубокого понимания автоокисления алканов мы провели дополнительные эксперименты в проточном реакторе Лейпцига в TROPOS («Методы»). Используя CI-APi-TOF с этиламинием, C 2 H 5 NH 3 + в качестве иона-реагента, мы смогли измерить почти все окисленные продукты, включая радикалы RO 2 19 , 26 .Результаты окисления декалина с ОН, полученным в результате реакции TME + O 3 , показывают поразительную последовательность радикалов RO 2 , несущих 2–9 атомов O (дополнительный рис. 15). Наша кинетическая модель реакционной системы (дополнительное примечание 7) с явным представлением (без учета изомеров) каждого RO 2 воспроизводит наблюдения путем комбинации этапов изомеризации RO и RO 2 .

Низкая загрузка прекурсора и ограниченное время пребывания (7.9 с) в проточном реакторе Лейпцига не позволяют реакциям RO 2 протекать до конца, как в атмосфере 19,26 . Это означает, что многие первичные радикалы RO 2 просто выйдут из проточного реактора, в то время как бимолекулярная реакция могла бы инициировать изомеризацию, приводящую к гораздо более насыщенным кислородом частицам. Чтобы решить эту проблему, мы добавили NO в различных концентрациях, чтобы ускорить радикальную конверсию RO 2 через реакцию RO 2 + NO → RO + NO 2 , что является очень типичной судьбой RO 2 в городских условиях.Здесь инициирующие радикалы ОН были получены путем фотолиза изопропилнитрита, и мы исследовали окисление декалина, циклогексана и n -декана. Добавление NO в реакционную систему сильно влияло на концентрацию и распределение продуктов окисления (дополнительное примечание 8, дополнительные рисунки 16–18).

На рис. 4а показано, как продукты с разным уровнем окисления изменяются в зависимости от добавленного NO. В отличие от опубликованных результатов по самоокислению многих биогенных ЛОС 4 , где NO подавляет самоокисление и образование ВОМ 4,27,28 , выход многих высококислородных продуктов, особенно в случае декалина, увеличивается с увеличением содержания NO. концентрации, вплоть до 2.4 × 10 11 молекул см −3 (соотношение смешивания NO около 10 частей на миллиард). Это подчеркивает важность стадий изомеризации RO, а также указывает на то, что изомеризация RO 2 в этих системах должна быть очень быстрой, чтобы конкурировать с реакциями обрыва. Наиболее поразительно то, что молярный выход HOM (то есть продуктов с 6 или более атомами O) намного выше, чем ожидалось, почти 20%, что является одним из самых высоких выходов, зарегистрированных для любой системы VOC-окислитель 10 . В целом, наши выводы о влиянии NO на образование высококислородных частиц полностью согласуются с сообщенными выходами SOA: хотя NO часто снижает выходы SOA в результате озонолиза монотерпена, выходы SOA алканов остаются высокими при повышенных уровнях NO.Кроме того, для соединений с несколькими кольцами (включая некоторые биогенные ЛОС, такие как сесквитерпены) выходы SOA даже увеличиваются с NO 29,30,31 . Это еще одно свидетельство того, что самоокисление может быть основным, до сих пор не признанным, фактором образования SOA в атмосфере даже для алканов и даже в сильно загрязненных условиях.

Рис. 4: Влияние NO на распределение продуктов окисления декалина, циклогексана и n -декана в Лейпцигском проточном реакторе.

a Экспериментально измеренные молярные выходы продуктов, содержащих по меньшей мере 4, 5 или 6 атомов O, соответственно, представлены в виде линий разных типов, в то время как алканы-предшественники имеют разные цвета линий.Молярный выход продуктов с по меньшей мере 6 атомами кислорода в результате окисления n -декана умножен на 10 для ясности. Точки данных измерены при концентрации NO 4,7 × 10 9 , 3,1 × 10 10 , 6,1 × 10 10 , 9,2 × 10 10 , 1,2 × 10 11 , 1,8 × 10 11 , и 2,4 × 10 11 молекул / см 3 соответственно. Следует отметить, что эту связь между выходом NO и HOM не следует применять непосредственно к атмосфере, поскольку точные соотношения сильно зависят от условий эксперимента.Масс-спектры, измеренные как аддукты с этиламинием, при максимальном добавлении NO 2,4 × 10 11 молекул см −3 нанесены отдельно для b декалина, c циклогексана и d n — декан. В каждом спектре радикалы показаны красным цветом, нитраты — синим, а другие соединения с закрытой оболочкой, в основном карбонилы, — черным.

Для более детального изучения распределения продуктов различных типов алканов при высоком содержании NO масс-спектры представлены на рис.4b – d для декалина, циклогексана и n -декана соответственно. При максимальной концентрации NO 2,4 × 10 11 молекул см −3 видна смесь органических нитратов (синий), карбонилов (черный) и радикалы RO 2 (красный). Для декалина мы видим продукты, содержащие до 11 атомов кислорода, для циклогексана — до 8, и даже для n -декана мы видим продукты, содержащие до 6 атомов кислорода. Для каждого из этих прекурсоров мы наблюдали гораздо более высокое содержание кислорода в продуктах, чем считалось ранее 18 , как уже было показано на рис.1. Эти результаты подчеркивают важность многоступенчатой ​​изомеризации радикалов RO и / или RO 2 для всех типов алканов, даже при высоких концентрациях NO.

Мы показали, что многоступенчатое автоокисление длинноцепочечных алканов (C 6 и больше) важно как при горении, так и в атмосферных условиях. В условиях горения мы показываем, что многоступенчатое самоокисление, управляемое радикалами RO 2 , распространяется на четвертое и даже пятое добавление O 2 , обогащая наши механистические представления о химии воспламенения топлива.В атмосферных условиях мы показываем, что реакция с одним радикалом ОН может инициировать автоокисление, управляемое реакциями изомеризации как RO, так и RO 2 , для линейных и, в частности, циклоалканов. Несколько поколений окисления ОН в атмосфере занимают много часов; они не требуются, как предполагалось ранее, для образования продуктов с высоким содержанием кислорода, способных вносить вклад во вторичный органический аэрозоль в атмосфере. Вместо этого многоступенчатое автоокисление может происходить за секунды. Однако мы также показываем, что альдегиды, как заменители продуктов окисления алканов первого поколения, обладают высоким потенциалом самоокисления, предполагая, что окисление ОН более позднего поколения, вероятно, приведет к очень эффективному самоокислению.Наши результаты для различных структур алканов при различных условиях NO x обеспечивают механистическое объяснение выходов SOA, наблюдаемых в различных системах, и подчеркивают важность реакций изомеризации RO помимо стадий изомеризации RO 2 . В более ранних исследованиях наблюдались значительные выходы HOM из биогенных и ароматических предшественников, часто способных напрямую связать процесс автоокисления с потенциалом образования SOA. В этой работе теперь добавляются единственные оставшиеся главные прекурсоры SOA в атмосфере, а именно алканы, в качестве последнего и, возможно, самого удивительного класса видов, для которого была определена важность автоокисления.

Исследование дизельных двигателей как атмосферного источника изоциановой кислоты в городских районах

Исследовательская статья 26 июл 2017

Исследовательская статья | 26 июл 2017

Шантану Х. Джатар 1 , Кристофер Хеппдинг 1 , Майкл Ф. Линк 2 , Дельфина К. Фармер 2 , Али Ахерати 1 , Майкл Дж.Климан 3 , Йост А. де Гоу 4,5 , Патрик Р. Верес 4,5 и Джеймс М. Робертс 4 Shantanu H. Jathar et al. Шантану Х. Джатар 1 , Кристофер Хеппдинг 1 , Майкл Ф. Линк 2 , Дельфин К. Фармер 2 , Али Ахерати 1 , Майкл Дж. Климан 3 , Джуст А. де Гоу 4,5 , Патрик Р. Верес 4,5 и Джеймс М. Робертс 4
  • 1 Кафедра машиностроения, Университет штата Колорадо, Форт-Коллинз, Колорадо 80523, США
  • 2 Кафедра химии, Университет штата Колорадо, Форт-Коллинз, Колорадо 80523, США
  • 3 Департамент гражданского и Экологическая инженерия, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния 95616, США
  • 4 NOAA Earth System Research Laboratory, Chemical Sciences Division, Boulder, CO 80305, USA
  • 5 Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Колорадо, Боулдер, Колорадо 80305, США
  • 1 Кафедра машиностроения, Университет штата Колорадо, Форт-Коллинз, Колорадо 80523, США
  • 2 Кафедра химии, Университет штата Колорадо, Форт-Коллинз, Колорадо 80523, США
  • 3 Департамент гражданского и Экологическая инженерия, Калифорнийский университет в Дэвисе, Дэвис, Калифорния 95616, США
  • 4 NOAA Earth System Research Laboratory, Chemical Sciences Division, Boulder, CO 80305, USA
  • 5 Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Колорадо, Боулдер, Колорадо 80305, США

Корреспонденция : Шантану Х.Джатар ([email protected])

Скрыть данные об авторе Получено: 20 января 2017 г. — Начало обсуждения: 22 февраля 2017 г. — Исправлено: 18 мая 2017 г. — Принято: 19 мая 2017 г. — Опубликовано: 26 июля 2017 г.

Изоциановая кислота (HNCO), кислый газ, содержащийся в табачном дыме, городской среде и регионах, затронутых сжиганием биомассы, связана с неблагоприятными последствиями для здоровья. Известно, что бензиновые и дизельные двигатели и сжигание биомассы выделяют HNCO, и предполагается, что они выделяют прекурсоры, такие как амиды, которые могут фотохимически реагировать с образованием HNCO в атмосфере.Все чаще дизельные двигатели в развитых странах, таких как США, должны использовать системы избирательного каталитического восстановления (SCR) для снижения выбросов оксидов азота из выхлопных труб. Известно, что химия СКВ производит HNCO в качестве промежуточного продукта, а системы СКВ считаются атмосферным источником HNCO. В этой работе мы измеряем выбросы HNCO от дизельного двигателя, оснащенного системой SCR, и в сочетании с более ранними данными используем трехмерную модель переноса химических веществ (CTM) для моделирования концентраций в окружающей среде и вкладов источников / путей в HNCO в городских условиях. среда.Испытания двигателя проводились при трех различных нагрузках двигателя, с использованием двух разных видов топлива и в нескольких рабочих точках. HNCO измеряли с помощью масс-спектрометра с химической ионизацией ацетата. Было обнаружено, что дизельный двигатель выбрасывает первичный HNCO (3–90 мгкг топлива -1 ), но мы не обнаружили никаких доказательств того, что система SCR или другие устройства дополнительной обработки (например, катализатор окисления и фильтр твердых частиц) производили или увеличивали выбросы HNCO. . Прогнозы CTM хорошо сравнивались с единственными доступными наборами данных наблюдений для HNCO в городских районах, но недооценивали вклад вторичных процессов.Сравнение показало, что дизельные двигатели были крупнейшим источником HNCO в городских районах. CTM также предсказал, что среднесуточные концентрации HNCO достигают максимума ∼110pptv, но на порядок ниже уровня 1ppbv, который может быть связан с физиологическими эффектами у людей. Вклад прекурсоров из других источников сжигания (сжигание бензина и биомассы) и зимние условия могут повысить концентрацию HNCO, но это необходимо изучить в будущей работе.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.