Двигатель кпд: Что такое коэффициент полезного действия двигателя

Мотор Nissan STARC показал рекордный тепловой КПД — ДРАЙВ

В мире ДВС выдающимся КПД обладают самые крупные судовые дизели (50% или чуть выше), а автомобильные моторы в основном довольствуются значениями в 30–40%. Но даже эти числа достигаются лишь в самых выгодных режимах работы.

Компания Nissan Motor испытала прообраз ДВС для последовательной гибридной системы e-Power следующего поколения, в котором добилась теплового КПД в 50%. Это число выглядит сокрушительно в сравнении с прошлыми примерами выдающихся моторов (38,3%, 38,5%, 40%, 41%, 43%). Разработчики уверяют, что 50% — это мировой рекорд, и рассказывают о тонкостях технологии сгорания, названной STARC (Strong, Tumble and Appropriately stretched Robust ignition Channel, «сильный, вихревой, надёжный канал зажигания с правильным удлинением»).

Разработчики подчёркивают, что высокой эффективности им удалось добиться во многом потому, что задуманный мотор должен работать только на генератор. Значит, его можно вывести в самую выгодную зону по оборотам и нагрузке, одновременно питая бедной топливовоздушной смесью.

Секрет КПД заключён в нескольких моментах. Это высокая степень сжатия, сильно закрученная поперёк оси цилиндра смесь, подбор идеальной скорости прохождения газа мимо электродов свечи (слишком высокая и слишком низкая ухудшают сгорание). Испытания прошли на демонстрационном одноцилиндровом агрегате.

Японцы уверяют, что показали на примере многоцилиндрового мотора — КПД в 43% можно получить за счёт грамотной системы рециркуляции отработанных газов, 46% — за счёт сжигания обеднённой смеси и 50%, добавляя рекуперацию отходящего тепла (детали не поясняются). В серийном ДВС для гибрида тепловой КПД в 50% можно будет получить через несколько лет, сообщает компания. Сорокаминутный обзор системы STARC на японском, а также прогноз развития электромобильных технологий можно посмотреть по ссылке.

НАЧАЛА ФИЗИКИ

Из формул (21.10) и (21.11) находим коэффициент полезного действия процесса

(21.12)

Выражение (21.12) показывает, что только одна двенадцатая часть энергии, полученной газом от нагревателя в процессе 1-2, становится механической работой, остальная часть этой энергии остается внутренней энергией и передается от холодильника нагревателю.

1. На рисунке приведен график циклического процесса, который происходит с идеальным газом. Параметры процесса приве дены на графике. Какую работу A газ со вершает в течение этого циклического процесса?

2. Тепловой двигатель получает за цикл от нагревателя количество теплоты, равное 100 Дж, а отдает холодильнику количество теплоты 30 Дж. Каков КПД двигателя?

А. 30 %.

Б. 70 %.

В. 35 %.

Г.  15 %.

3. Тепловой двигатель совершает за цикл работу 400 Дж и отдает холодильнику количество теплоты, равное 600 Дж. Каков КПД двигателя?

4. Тепловой двигатель, КПД которого равен 20 %, в течение цикла отдает холодильнику количество теплоты 100 Дж. Какую работу совершает двигатель за цикл?

5. Тепловой двигатель, КПД которого равен 25 %, в течение цикла совершает работу 100 Дж. Какое количество теплоты двигатель отдает холодильнику за цикл?

А. 150 Дж.

Б.  200 Дж.

В. 250 Дж.

Г. 300 Дж.

325/597

Ракетный двигатель на взрывной тяге – Наука – Коммерсантъ

Новая физическая идея — использование детонационного горения вместо обычного, дефлаграционного — позволяет радикально улучшить характеристики реактивного двигателя.

Говоря о космических программах, мы в первую очередь думаем о мощных ракетах, которые выводят на орбиту космические корабли. Сердце ракеты-носителя — ее двигатели, создающие реактивную тягу. Ракетный двигатель — это сложнейшее энергопреобразующее устройство, во многом напоминающее живой организм со своим характером и манерами поведения, которое создается поколениями ученых и инженеров. Поэтому изменить что-то в работающей машине практически невозможно: ракетчики говорят: «Не мешай машине работать…» Такой консерватизм, хотя он многократно оправдан практикой космических пусков, все же тормозит ракетно-космическое двигателестроение — одну из самых наукоемких областей деятельности человека.

Нужны новые идеи, новые физические принципы. Ниже речь пойдет именно о такой идее и о ее воплощении в демонстрационном образце ракетного двигателя нового типа.

В большинстве существующих ракетных двигателей химическая энергия горючего преобразуется в тепло и механическую работу за счет медленного (дозвукового) горения — дефлаграции — при практически постоянном давлении: P=const. Однако, кроме дефлаграции, известен и другой режим горения — детонация. При детонации химическая реакция окисления горючего протекает в режиме самовоспламенения при высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Если при дефлаграции углеводородного горючего мощность тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции составляет ~1 МВт/м2, то мощность тепловыделения в детонационном фронте на три-четыре порядка выше и может достигать 10000 МВт/м2 (выше мощности излучения с поверхности Солнца!).

Приведем простой пример, который иллюстрирует преимущества детонационного горения в ракетном двигателе над дефлаграционным. Рассмотрим три одинаковых камеры сгорания (КС) в виде трубы с одним закрытым и другим открытым концом, которые заполнены одинаковой горючей смесью при одинаковых условиях и поставлены закрытым концом вертикально на тягоизмерительные весы (рис. 1). Энергию зажигания будем считать пренебрежимо малой по сравнению с химической энергией горючего в трубе.

Пусть в первой трубе горючая смесь зажигается одним источником, например, автомобильной свечой, расположенной у закрытого конца. После зажигания вверх по трубе побежит медленное пламя, видимая скорость которого обычно не превышает 10 м/c, то есть много меньше скорости звука (около 340 м/с).

Попытаемся изменить ситуацию, установив во второй трубе множество источников зажигания, которые одновременно зажигают горючую смесь по всему объему. В этом случае давление в трубе P быстро возрастет, как правило, в семь-десять раз, и показания весов изменятся: на закрытый конец трубы в течение некоторого времени — времени истечения продуктов горения в атмосферу — будет действовать достаточно большая сила, которая способна совершить большую работу.

Теперь вспомним о возможности организации детонационного горения нашей смеси и в третьей трубе вместо множества распределенных слабых источников зажигания установим, как и в первой трубе, один источник зажигания у закрытого конца трубы, но не слабый, а сильный — такой, который приведет к возникновению не пламени, а детонационной волны. Возникнув, детонационная волна побежит вверх по трубе с высокой сверхзвуковой скоростью (около 2000 м/с), так что вся смесь в трубе сгорит очень быстро, и давление в среднем повысится как при постоянном объеме — в семь-десять раз. При более детальном рассмотрении оказывается, что работа, совершенная в цикле с детонационным горением, будет даже выше, чем в цикле V = const.

Таким образом, при прочих равных условиях детонационное сгорание горючей смеси в КС позволяет получить максимальную полезную работу по сравнению с дефлаграционным горением при P=const и V=const, то есть позволяет получить максимальный термодинамический КПД. Если вместо существующих ракетных двигателей с дефлаграционным горением использовать двигатели с детонационным горением, то такие двигатели могли бы дать чрезвычайно большие выгоды. Этот результат был впервые получен нашим великим соотечественником академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем еще в 1940 году, однако до сих пор не нашел практического применения. Основная причина этому — сложность организации управляемого детонационного горения штатных ракетных топлив.

Мощность тепловыделения в детонационном фронте на 3-4 порядка выше, чем во фронте обычного дефлаграционного горения и может превышать мощность излучения с поверхности Солнца. Скорость продуктов детонации в 20-25 раз выше скорости продуктов медленного горения

До настоящего времени предложено множество схем организации управляемого детонационного горения, включая схемы с импульсно-детонационным и с непрерывно-детонационным рабочим процессом. Импульсно-детонационный рабочий процесс основан на циклическом заполнении КС горючей смесью с последующим зажиганием, распространением детонации и истечением продуктов в окружающее пространство (как в третьей трубе в рассмотренном выше примере). Непрерывно-детонационный рабочий процесс основан на непрерывной подаче горючей смеси в КС и ее непрерывном сгорании в одной или нескольких детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек потока.

Концепция КС с непрерывной детонацией предложена в 1959 году академиком Богданом Вячеславовичем Войцеховским и долгое время изучалась в Институте гидродинамики СО РАН. Простейшая непрерывно-детонационная КС представляет собой кольцевой канал, образованный стенками двух коаксиальных цилиндров (рис. 2). Если на днище кольцевого канала поместить смесительную головку, а другой конец канала оборудовать реактивным соплом, то получится проточный кольцевой реактивный двигатель. Детонационное горение в такой КС можно организовать, сжигая горючую смесь, подаваемую через смесительную головку, в детонационной волне, непрерывно циркулирующей над днищем. При этом в детонационной волне будет сгорать горючая смесь, вновь поступившая в КС за время одного оборота волны по окружности кольцевого канала. К другим достоинствам таких КС относят простоту конструкции, однократное зажигание, квазистационарное истечение продуктов детонации, высокую частоту циклов (килогерцы), малый продольный размер, низкий уровень эмиссии вредных веществ, низкий уровень шума и вибраций.

Заданный удельный импульс в детонационном ракетном двигателе достигается при значительно меньшем давлении, чем в традиционном жидкостном ракетном двигателе. Это позволит в перспективе кардинально изменить массогабаритные характеристики ракетных двигателей

В рамках проекта Минобрнауки создан демонстрационный образец непрерывно-детонационного ракетного двигателя (ДРД) с КС диаметром 100 мм и шириной кольцевого канала 5 мм, который испытан при работе на топливных парах водород—кислород, сжиженный природный газ—кислород и пропан-бутан—кислород. Огневые испытания ДРД проводились на специально разработанном испытательном стенде. Длительность каждого огневого испытания — не более 2 с. За это время с помощью специальной диагностической аппаратуры регистрировались десятки тысяч оборотов детонационных волн в кольцевом канале КС. При работе ДРД на топливной паре водород—кислород впервые в мире экспериментально доказано, что термодинамический цикл с детонационным горением (цикл Зельдовича) на 7-8% эффективнее, чем термодинамический цикл с обычным горением при прочих равных условиях.

В рамках проекта создана уникальная, не имеющая мировых аналогов вычислительная технология, предназначенная для полномасштабного моделирования рабочего процесса в ДРД. Эта технология фактически позволяет проектировать двигатели нового типа. При сравнении результатов расчетов с измерениями оказалось, что расчет точно прогнозирует количество детонационных волн, циркулирующих в тангенциальном направлении в кольцевой КС ДРД заданной конструкции (четыре, три или одну волну, рис. 3). Расчет с приемлемой точностью предсказывает и рабочую частоту процесса, то есть дает значения скорости детонации, близкие к измеренным, и тягу, фактически развиваемую ДРД. Кроме того, расчет правильно предсказывает тенденции изменения параметров рабочего процесса при повышении расхода горючей смеси в ДРД заданной конструкции — как и в эксперименте, количество детонационных волн, частота вращения детонации и тяга при этом увеличиваются.

Основной показатель энергоэффективности ракетного двигателя — удельный импульс тяги, равный отношению тяги, развиваемой двигателем, к весовому секундному расходу горючей смеси. Удельный импульс измеряется в секундах (с). Зависимость удельного импульса тяги ДРД от среднего давления в КС, полученная в ходе огневых испытаний двигателя нового типа, такова, что удельный импульс увеличивается с ростом среднего давления в КС. Основной целевой показатель проекта — удельный импульс тяги 270 с в условиях на уровне моря — достигнут в огневых испытаниях при среднем давлении в КС, равном 32 атм. Измеренная тяга ДРД при этом превысила 3 кН.

При сравнении удельных характеристик ДРД с удельными характеристиками в традиционных жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) оказывается, что заданный удельный импульс в ДРД достигается при значительно меньшем среднем давлении, чем в ЖРД. Так, в ДРД удельный импульс в 260 с достигается при давлении в КС всего 24 атм, тогда как удельный импульс 263,3 с в известном отечественном двигателе РД-107А достигается при давлении в КС 61,2 атм, которое в 2,5 раза выше. Отметим, что двигатель РД-107А работает на топливной паре керосин—кислород и используется в первой ступени ракеты-носителя «Союз-ФГ». Такое значительное снижение среднего давления в ДРД позволит в перспективе кардинально изменить массогабаритные характеристики ракетных двигателей и снизить требования к турбонасосным агрегатам.

Вот и новая идея, и новые физические принципы.

Один из результатов проекта — разработанное техническое задание на проведение опытно-конструкторской работы (ОКР) по созданию опытного образца ДРД. Основная проблема, которую планируется решить в рамках ОКР,— обеспечить непрерывную работу ДРД в течение длительного времени (десятки минут). Для этого потребуется разработать эффективную систему охлаждения стенок двигателя.

Ввиду своего прорывного характера задача создания практического ДРД, несомненно, должна стать одной из приоритетных задач отечественного космического двигателестроения.

Сергей Фролов, доктор физико-математических наук, Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, профессор НИЯУ-МИФИ

В 2014-2016 годах Министерством образования и науки РФ поддержан проект «Разработка технологий использования сжиженного природного газа (метан, пропан, бутан) в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения и создание стендового демонстрационного образца ракетного двигателя». Проект предусматривает создание демонстрационного образца непрерывно-детонационного ракетного двигателя (ДРД), работающего на топливной паре «сжиженный природный газ (СПГ)—кислород». Исполнитель проекта — Центр импульсно-детонационного горения Института химической физики РАН. Индустриальный партнер проекта — Тураевское машиностроительное конструкторское бюро «Союз». В заявке на проект целесообразность использования в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) непрерывно-детонационного горения объяснялась более высоким термодинамическим КПД по сравнению с традиционным циклом, использующим медленное горение, а целесообразность использования СПГ объяснялась целым рядом преимуществ по сравнению с керосином: повышенным удельным импульсом тяги, доступностью и дешевизной, существенно меньшим сажеобразованием при горении и более высокими экологическими характеристиками. Теоретически замена керосина на СПГ в традиционном ЖРД сулит повышение удельного импульса на 3-4%, а переход от традиционного ЖРД к ДРД — на 13-15%.

Bosch и Weichai Power создали дизельный двигатель с увеличенным КПД – logist.today

Bosch и китайская компания Weichai Power разработали дизельный двигатель для большегрузных автомобилей, который имеет КПД на 4% выше, чем у современных силовых установок. Об этом Логист.Today узнал из сообщения, опубликованного пресс-службой компании Robert Bosch GmbH.

Bosch и Weichai Power, крупнейший производитель двигателей для коммерческих автомобилей в Китае, в течение двухлетнего совместного проекта смогли разработать дизельный двигатель для тяжелых грузовиков, КПД которого достиг 50%, тем самым установив новый мировой стандарт. В настоящее время тепловой КПД двигателей грузовых автомобилей в среднем составляет около 46%.

Фолькмар Деннер, председатель правления Robert Bosch GmbH

Разработчики заявили, что когда речь идет о грузовых автомобилях для транспортировки тяжелых грузов на большие расстояния, дизельный двигатель останется предпочтительным выбором в обозримом будущем. По этой причине компании Bosch и Weichai стремятся постоянно совершенствовать эту технологию с целью защиты климата и окружающей среды.

Тан Сюгуанг, председатель Weichai Group

Кроме того, систему Bosch можно использовать для давлений в диапазоне от 1800 до 2500 бар и настроить для восьмицилиндровых двигателей с большим объемом. Высокий расход форсунок позволяет оптимизировать процесс сгорания топлива и достичь высоких характеристик двигателя. В зависимости от требований, система может работать до 1,6 млн километров. Система Common-Rail также предназначена для работы с электрифицированной трансмиссией.

Логист.Today напоминает, что Bosch и Weichai заключили договор о долгосрочном стратегическом сотрудничестве еще в 2003 году. За 17 лет компании объединяли свои усилия и опыт в нескольких проектах, один из которых заключался в поставках на китайский рынок мощных, энергоэффективных и экологичных дизельных двигателей.

Кроме того, Bosch и Weichai сотрудничают в других областях, включая мобильные топливные элементы и системы помощи водителю. Компании объединяет общая цель – сделать коммерческие автомобили чище, безопаснее и умнее.

Помимо автомобильных технологий Bosch и Weichai сотрудничают в области Индустрии 4.0, что, в свою очередь, предусматривает подключение предприятий к сетевым коммуникациям и цифровизацию заводов.

КПД теплового двигателя — Технарь

Всякий тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, так как газ или пар, совершив работу, выходит из двигателя, обладая еще энергией.

Для оценки теплового двигателя очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, он превращает в полезную работу. Чем эта часть больше, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя (КПД).

Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, но всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Например, если двигатель из всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть, то говорят, что коэффициент полезного действия двигателя равен 1/4 или 25%, так как КПД обычно выражают в процентах.

КПД двигателя всегда меньше единицы, т. е. меньше 100%. Это следует из закона сохранения энергии. Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — около 30%.

Увеличение числа автомашин, особенно в городах, приводит к сильному загрязнению атмосферы выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Эти газы вредны для живых организмов, кроме того, они вызывают порчу ценных архитектурных сооружений.

Борьба с загрязнением атмосферы в настоящее время является серьезной государственной задачей.

Наиболее эффективный способ борьбы — замена двигателей внутреннего сгорания электрическими двигателями. Необходимые для этих машин источники тока должны обладать большими запасами энергии, над созданием таких источников тока работают ученые.

Чтобы, существующие автомашины меньше загрязняли воздух, их двигатели должны быть всегда исправны и работать на том виде топлива, на которое они изготовлены. За этим всем нам следует тщательно следить.

Вопросы.

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
2. Что называют КПД теплового двигателя?
3. Может ли двигатель иметь КПД, равный 100%? Почему?
4. Назовите коэффициенты полезного действия современных тепловых двигателей.

Задание.

Приготовьте доклады на темы:

1. История изобретения паровых машин.
2. История изобретения турбин.
3. Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
4. Достижения советской науки и техники в строительстве паровых турбин.
5. Использование энергии Солнца на Земле (прочтите об этом параграф в конце учебника).

Газовый двигатель – Основные средства

О достоинствах газомоторного топлива, в частности метана, сказано немало, но напомним о них еще раз.

Это экологичный выхлоп, удовлетворяющий текущие и даже будущие законодательные требования к токсичности. В рамках культа глобального потепления это важное преимущество, поскольку нормы Euro 5, Euro 6 и все последующие будут насаждаться в обязательном порядке и проблему с выхлопом так или иначе придется решать. К 2020 г. в Евросоюзе новым транспортным средствам будет разрешено производить в среднем не более 95 г СО2 на километр. К 2025 г. этот допустимый предел могут еще опустить. Двигатели на метане способны удовлетворить эти нормы токсичности, и не только благодаря меньшему выбросу СО2. Показатели выбросов твердых частиц в газовых двигателях также ниже, чем у бензиновых или дизельных аналогов.

Далее, газомоторное топливо не смывает масло со стенок цилиндра, что замедляет их износ. Как утверждают пропагандисты газомоторного топлива, ресурс двигателя волшебным образом вырастает в разы. При этом они скромно умалчивают о теплонапряженности работающего на газе двигателя.

И главное преимущество газомоторного топлива – это цена. Цена и только цена покрывает все недостатки газа как моторного топлива. Если мы говорим о метане, то это неразвитая сеть АГНКС, которая буквально привязывает газовый автомобиль к заправке. Количество заправок сжиженным природным газом ничтожно, этот вид газомоторного топлива сегодня представляет собой нишевой, узкоспециальный продукт. Далее, газобаллонное оборудование занимает часть полезной грузоподъемности и полезного пространства, ГБО хлопотно и накладно в обслуживании.

Технический прогресс породил такой вид двигателя, как газодизель, живущий в двух мирах: дизельном и газовом. Но как универсальное средство газодизель не реализует в полном объеме возможности ни того, ни другого мира. Нельзя оптимизировать ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов для двух видов топлива на одном двигателе. Для оптимизации газовоздушного цикла нужно специализированное средство – газовый двигатель.

Сегодня все газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. Альтернативные варианты – в стадии разработки. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путем инжекции газа. Чем ближе к цилиндру происходит этот процесс, тем быстрее реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться прямо в камеру сгорания, о чем речь пойдет ниже. Сложность управления не единственный недостаток внешнего смесеобразования.

Инжекция газа управляется электронным блоком, который также регулирует угол опережения зажигания. Метан горит медленнее дизельного топлива, то есть газовоздушная смесь должна воспламеняться раньше, угол опережения также регулируется в зависимости от нагрузки. Кроме того, метану нужна меньшая степень сжатия, нежели дизельному топливу. Так, в атмосферном двигателе степень сжатия снижают до 12–14. Для атмо­сферных двигателей характерен стехиометрический состав газовоздушной смеси, то есть коэффициент избытка воздуха a равен 1, что в какой-то степени компенсирует потерю мощности от снижения степени сжатия. КПД атмосферного газового двигателя на уровне 35%, тогда как у атмосферного же дизеля КПД на уровне 40%.

Автопроизводители рекомендуют использовать в газовых двигателях специальные моторные масла, отличающиеся водостойкостью, пониженной сульфатной зольностью и одновременно высоким значением щелочного числа, но не возбраняются и всесезонные масла для дизельных двигателей классов SAE 15W-40 и 10W-40, которые на практике применяются в девяти случаях из десяти.

Турбокомпрессор позволяет снизить степень сжатия до 10–12 в зависимости от размерности двигателя и давления во впускном тракте, а коэффициент избытка воздуха увеличить до 1,4–1,5. При этом КПД достигает 37%, но одновременно значительно возрастает теплонапряженность двигателя. Для сравнения: КПД турбированного дизельного двигателя достигает 50%.

Повышенная теплонапряженность газового двигателя связана с невозможностью продувки камеры сгорания при перекрытии клапанов, когда в конце такта выпуска одновременно открыты выпускные и впускные клапаны. Поток свежего воздуха, особенно в наддувном двигателе, мог бы охлаждать поверхности камеры сгорания, снижая таким образом теплонапряженность двигателя, а также снижая нагрев свежего заряда, это увеличило бы коэффициент наполнения, но для газового двигателя перекрытие клапанов недопустимо. Из-за внешнего образования газовоздушной смеси воздух всегда подается в цилиндр вместе с метаном, и выпускные клапаны в это время должны быть закрыты во избежание попадания метана в выпускной тракт и взрыва.

Уменьшенная степень сжатия, повышенная теплонапряженность и особенности газовоздушного цикла требуют соответствующих изменений, в частности, в системе охлаждения, в конструкции распредвала и деталей ЦПГ, а также в применяемых для них материалах для сохранения работоспособности и ресурса. Таким образом, стоимость газового двигателя не так уж отличается от стоимости дизельного аналога, а то и выше. Плюс к этому стоимость газобаллонного оборудования.

Флагман отечественного автомобилестроения ПАО «КАМАЗ» серийно выпускает газовые 8-цилиндровые V-образные двигатели серий КамАЗ-820.60 и КамАЗ-820.70 размерностью 120х130 и рабочим объ­емом 11,762 л. Для газовых двигателей используют ЦПГ, обеспечивающую степень сжатия 12 (у дизельного КамАЗ-740 степень сжатия 17). В цилиндре газовоздушная смесь воспламеняется искровой свечой зажигания, установленной вместо форсунки.

Для большегрузных автомобилей с газовыми двигателями используют специальные свечи зажигания. Так, Federal-Mogul поставляет на рынок свечи с иридиевым центральным электродом и боковым электродом, выполненным из иридия или платины. Конструкция, материалы и характеристики электродов и самих свечей учитывают температурный режим работы большегрузного автомобиля, характерный широким диапазоном нагрузок, и сравнительно высокую степень сжатия.

Двигатели КамАЗ-820 оборудуют системой распределенного впрыска метана во впускной трубопровод через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством. Газ инжектируется во впускной тракт каждого цилиндра индивидуально, что позволяет корректировать состав газовоздушной смеси для каждого цилиндра с целью получения минимальных выбросов вредных веществ. Расход газа регулируется микропроцессорной системой в зависимости от давления перед инжектором, подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой с приводом от электронной педали акселератора. Микропроцесорная система управляет углом опережения зажигания, обеспечивает защиту от воспламенения метана во впускном трубопроводе при сбое в системе зажигания или неисправности клапанов, а также защиту двигателя от аварийных режимов, поддерживает заданную скорость автомобиля, обеспечивает ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля и самодиагностику при включении системы.

«КАМАЗ» в значительной степени унифицировал детали газовых и дизельных двигателей, но далеко не все, и многие внешне схожие детали для дизеля – коленвал, распредвал, поршни с шатунами и кольцами, головки блока цилиндров, турбокомпрессор, водяной насос, масляный насос, впускной трубопровод, поддон картера, картер маховика – не подходят для газового двигателя.

В апреле 2015 г. «КАМАЗ» запустил корпус газовых автомобилей мощностью 8 тыс. единиц техники в год. Производство размещено в бывшем газодизельном корпусе автозавода. Технология сборки следующая: шасси собирают и устанавливают на него газовый двигатель на главном сборочном конвейере автомобильного завода. Потом шасси буксируют в корпус газовых автомобилей для монтажа газобаллонного оборудования и проведения всего цикла испытаний, а также для обкатки автотехники и шасси. При этом газовые двигатели КАМАЗ (в том числе модернизированные с компонентной базой «БОШ»), собираемые на моторном производстве, также проходят испытания и обкатку в полном объеме.

«Автодизель» (Ярославский моторный завод) в содружестве с компанией Westport разработал и выпускает линейку газовых двигателей на базе семейства 4- и 6-цилиндровых рядных двигателей ЯМЗ-530. Шестицилиндровый вариант может устанавливаться на автомобили нового поколения «Урал NEXT».

Как уже говорилось выше, идеальный вариант газового двигателя – это непосредственный впрыск газа в камеру сгорания, но до сих пор мощнейшее глобальное машиностроение не создало такой технологии. В Германии исследования ведет консорциум Direct4Gas, возглавляемый компанией Robert Bosch GmbH в партнерстве с Daimler AG и Штутгартским научно-исследовательским институтом автомобильной техники и двигателей (FKFS). Министерство экономики и энергетики Германии поддержало проект суммой в 3,8 млн евро, что на самом деле не так уж много. Проект будет работать с 2015-го до января 2017 г. На-гора должны выдать промышленный образец системы непосредственного впрыска метана и, что не менее важно, технологию ее производства.

По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, то есть ликвидировать слабое место газового двигателя. Непосредственный впрыск решает целый комплекс «детских» болезней газового двигателя, принесенных вместе с внешним смесеобразованием.

В проекте Direct4Gas разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть надежной и герметичной и дозировать точное количество газа для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, чтобы промышленность могла использовать прежние компоненты. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. Долгосрочная цель консорциума – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок.

Итак, газовые двигатели – это молодое направление, еще не достигшее технологической зрелости. Зрелость наступит, когда Bosch со товарищи создадут технологию непосредственно впрыска метана в камеру сгорания.

КПД электродвигателей | Полезные статьи

Электрическими двигателями переменного или постоянного тока комплектуются приводы станков, насосов и вентиляторов, а также других механизмов, используемых на предприятиях тяжелой и легкой промышленности. Рентабельность производства напрямую зависит от себестоимости продукции, на которую в большой степени влияет эффективность эксплуатации оборудования, поэтому КПД и мощность электродвигателя являются основными параметрами, на основании которых выполняется подбор привода.

Определение КПД электродвигателя

Принцип работы любой электрической машины основан на преобразовании энергии тока, протекающего по обмоткам статора и создающего магнитное поле, во вращение ротора. Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя определяется соотношением вырабатываемой им механической мощности на валу (p2) к полной мощности, потребляемой из сети (p1) и выражается в процентах:

η=p2/p1*100%

Исходя из формулы, следует, что чем ближе этот параметр к единице, тем выше будет эффективность использования оборудования.

Факторы, влияющие на величину КПД

Коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице, так как существуют неизбежные потери, снижающие полезную мощность. Они делятся на три группы:

• электрические;
• магнитные;
• механические.

Электрические потери зависят от степени нагрузки двигателя и являются следствием нагрева обмоток статора, вызванного работой тока по преодолению электрического сопротивления проводников, из которых они выполнены. Поэтому максимальный КПД электродвигателя достигается, когда нагрузка на двигатель составляет 75% от максимальной расчетной величины.

Магнитные потери происходят из-за неизбежного перемагничивания активного железа статора и ротора, а также возникновения в нем вихревых токов.

Третья группа обусловлена наличием трения в подшипниках, на которых вращается вал, а также сопротивлением, оказываемым воздухом крыльчатке вентилятора и самому ротору (якорю). Из-за наличия щеточно-коллекторного узла КПД электродвигателя постоянного тока несколько ниже коэффициента полезного действия машин с короткозамкнутым ротором. Это также относится к асинхронным электродвигателям с фазным ротором из-за дополнительного трения щеток об контактные кольца.

Способы повысить КПД двигателя

Следует помнить, что реальный коэффициент полезного действия может несколько отличатся от паспортных величин, указанных на шильдике двигателя. Чтобы выполнить расчет КПД электродвигателя в реальных условиях эксплуатации, необходимо учитывать неравномерность распределения питающего напряжения в фазах. В зависимости от величины асимметрии падение полезной мощности может достигать 5-7%.

Увеличение КПД электрической машины возможно только за счет снижения потерь и контроля качества силовой сети.

Механические потери можно уменьшить благодаря более качественным подшипникам, установки крыльчатки вентилятора, выполненной из современных материалов для уменьшения сопротивлению воздуху. Нагрев обмоток можно уменьшить благодаря использованию обмоточных проводов, выполненных из очищенной меди, имеющих меньшее сопротивление.

Снизить потери на перемагничивание активного железа и минимизировать влияние вихревых токов можно используя для набора сердечника необходимо использовать качественную электромагнитную сталь с надежной изоляцией. Кроме того, ведутся работы по разработке наилучшей геометрии зубцов статора, благодаря которым будет увеличена концентрация магнитного поля.

В реальности КПД асинхронного электродвигателя можно несколько увеличить за счет использования частотного преобразователя, позволяющего оптимизировать расход электроэнергии. Следует помнить, что эффективность эксплуатации двигателя с КПД 98% сильно упадет, если его использовать для приведения в движения механизма, имеющего более низкий коэффициент полезного действия.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ^® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту [email protected] с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.  

Nissan достигает 50% теплового КПД с системой e-POWER нового поколения; STARC

Компания Nissan объявила о прорыве в эффективности двигателей, достигнув 50% теплового КПД с разрабатываемой системой e-POWER следующего поколения.

Система Nissan e-POWER использует бортовой бензиновый двигатель для обеспечения электрической энергией аккумуляторной батареи электронного силового агрегата. Новейший подход Nissan к разработке двигателей поднял планку до мирового уровня, превысив текущий средний для автомобильной промышленности диапазон 40% теплового КПД, что позволило еще больше снизить выбросы CO ₂ в автомобилях.

Стремясь к 2050 году обеспечить экологическую нейтральность в течение всего жизненного цикла нашей продукции, Nissan планирует к началу 2030-х годов электрифицировать все новые модели, представленные на основных рынках. Стратегия электрификации Nissan способствует разработке электронных силовых агрегатов и высокоэффективных аккумуляторов для электромобилей, при этом e-POWER представляет собой еще одну важную стратегическую опору.

— Тошихиро Хираи, старший вице-президент инженерного подразделения силовых агрегатов и электромобилей

Транспортные средства с обычными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) требуют мощности и производительности от двигателя в широком диапазоне скоростей (об / мин) и нагрузок.Это фундаментальное требование означает, что обычные двигатели не могут всегда работать с оптимальной эффективностью.

Однако система Nissan e-POWER использует бортовой двигатель в качестве специального генератора электроэнергии для электронной трансмиссии системы. Работа двигателя ограничена его наиболее эффективным диапазоном, соответствующим образом регулируя выработку электроэнергии двигателем и количество электроэнергии, хранящейся в батарее.

Благодаря такому целенаправленному подходу, развитию аккумуляторных технологий и методов управления энергопотреблением компания Nissan смогла повысить термический КПД по сравнению с нынешними уровнями.Разработка системы e-POWER следующего поколения продолжает этот путь повышения эффективности благодаря проектированию и разработке двигателя Nissan исключительно для e-POWER.

Концепция STARC. Для достижения 50% -ного теплового КПД компания Nissan разработала концепцию под названием «STARC», названную в честь ключевых слов «сильный», «кувыркающийся» и «надлежащим образом растянутый прочный канал зажигания». Эта концепция позволяет повысить термический КПД за счет усиления потока газа в цилиндре (потока топливовоздушной смеси, которая втягивается в цилиндр) и зажигания, надежно сжигая более разбавленную воздушно-топливную смесь при высокой степени сжатия.

В обычном двигателе существуют ограничения на управление уровнем разбавления топливовоздушной смеси, чтобы реагировать на изменение движущих нагрузок, с некоторыми компромиссами между различными условиями эксплуатации, такими как поток газа в цилиндре, метод зажигания и степень сжатия, которая может пожертвовать эффективностью ради выходной мощности.

Однако специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне частоты вращения и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить термический КПД.

При внутренних испытаниях Nissan достиг теплового КПД 43% при использовании метода разбавления системы рециркуляции отработавших газов и 46% при использовании обедненного горения (коэффициент избытка воздуха λ = 2) с многоцилиндровым двигателем. Уровень 50% был достигнут за счет работы двигателя при фиксированных оборотах и ​​нагрузке в сочетании с технологиями рекуперации отработанного тепла.

Система Nissan e-POWER. e-POWER был впервые представлен в Японии в 2016 году вместе с Nissan Note. В его основе лежит та же технология, полностью управляемая электродвигателем, которая используется в Nissan LEAF для обеспечения мгновенного крутящего момента, мощности, эффективности и азарта.Система включает бензиновый двигатель с генератором энергии, инвертор, аккумулятор и электродвигатель.

В отличие от традиционной гибридной системы, e-POWER позволяет использовать только бортовой двигатель для выработки электроэнергии, разделяя мощность двигателя и движущую силу на колесах.

В конце декабря 2020 года Nissan выпустил на рынок Японии совершенно новый Note. Совершенно новый Note поставляется исключительно с e-POWER и уже получил более 20 000 заказов.Как самая продаваемая модель компании на внутреннем рынке, Note играет ключевую роль в глобальном плане трансформации бизнеса Nissan NEXT.

Wärtsilä 31 самый эффективный двигатель в мире

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

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

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

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

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

Топливная эффективность

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

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

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

Внимание к экологическому развитию

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

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

Меньше обслуживания, больше времени безотказной работы

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

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

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

Модульная конструкция

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

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

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

Операционная гибкость

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

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

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

Двигатель, ориентированный на будущее

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

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

Три двигателя, одна общая платформа

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

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

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

Подробнее о Wärtsilä 31

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

Энергоэффективность. Потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок, обеспечивая ежедневную экономию до 10 000 евро.

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

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

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

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

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

Nissan заявляет о 50% тепловом КПД от двигателя для гибридной системы e-Power

Nissan заявляет, что в своей гибридной системе e-Power добился значительного прорыва в эффективности для двигателей внутреннего сгорания.

В пятницу автопроизводитель объявил, что он достиг 50% теплового КПД, который представляет собой процент энергии, преобразованной для работы в двигателе.Эта цифра обычно ассоциируется с гоночными двигателями Формулы-1; наиболее эффективные двигатели, производимые в настоящее время, имеют тепловой КПД около 40%.

Компания Nissan достигла 50% теплового КПД в испытательном двигателе с использованием так называемого STARC, аббревиатуры от словосочетания «сильный, неуклюжий и надлежащим образом растянутый надежный канал зажигания». Это включало «усиление» топливовоздушной смеси, поступающей в каждый цилиндр, и сжигание более разбавленной смеси при высокой степени сжатия.

В ходе испытаний Nissan заявил, что достиг 43% теплового КПД просто за счет разбавления смеси (с использованием рециркуляции выхлопных газов), 46% при использовании обедненного горения (что означает больше воздуха и меньше топлива) и 50% при работе двигателя на фиксированной скорости. обороты и нагрузка, с технологиями утилизации отходящего тепла.

Обычно невозможно эксплуатировать бензиновый двигатель при фиксированных оборотах и ​​нагрузке в течение длительного времени в реальных условиях, но поскольку e-Power — это последовательно-гибридная система, которая по существу использует двигатель внутреннего сгорания в качестве бортового генератора. , такой сценарий возможен с этим макетом.

Nissan STARC сгорания

Хотя этот высочайший уровень эффективности был достигнут только при лабораторных испытаниях, система e-Power в настоящее время доступна на некоторых моделях Nissan, хотя и не в Соединенных Штатах.

Nissan представил e-Power на японском рынке малолитражек Note в 2016 году и с тех пор сделал Note полностью гибридным.

Гибридная система должна была прибыть в США к настоящему времени и, по крайней мере, проверить, все еще должна широко использоваться на рынке США в будущем. Нам сказали, что e-Power в США будет стремиться к производительности, а не только к расходу топлива на галлон. Он также будет использоваться люксовым брендом Nissan Infiniti, который стремится сделать все свои модели гибридными или полностью электрическими в течение следующих нескольких лет.

Infiniti QS Inspiration concept — на выставке в октябре 2019 года

Другие автопроизводители уклоняются от серийных гибридов, отдавая предпочтение параллельным гибридам. Гибридная система Honda близка к этому, но все же имеет сцепление, которое соединяет двигатель с ведущими колесами с большим передаточным отношением на скоростях шоссе, потому что это говорит о том, что одна только серийно-гибридная установка не обеспечит удовлетворительной эффективности в этих условиях.

когда-то были следующим большим достижением — 100 лет назад. Поможет ли новое поколение технологий внутреннего сгорания, подобное тому, что продемонстрировал Nissan, наконец стать актуальным?

Nissan заявляет, что добился прорыва в области тепловой эффективности двигателей

Многие автопроизводители ставят перед собой задачу сделать свои двигатели внутреннего сгорания более эффективными в превращении топлива в энергию.В пятницу Nissan заявляет, что добился прорыва в достижении 50-процентного теплового КПД с помощью гибридной технологии e-Power.

Эта последняя разработка представляет собой следующее поколение гибридной системы e-Power, впервые представленной в 2016 году. В системе используется бензиновый двигатель не для привода колес, а исключительно для зарядки аккумуляторов системы электропривода. Это серийный гибрид, который не поддерживает подключаемые модули.

Nissan заявляет, что e-Power позволяет его двигателям быть более эффективными, потому что они используются только в качестве генератора для аккумулятора, который может действовать как своего рода буфер между двигателем внутреннего сгорания и требованиями водителя к скорости и крутящему моменту. Это позволяет двигателю оставаться в относительно узком диапазоне оборотов двигателя и точек нагрузки (называемых рабочими точками), которые обеспечивают наивысший КПД (см. График выше). Nissan описывает, как работает система, в своем пресс-релизе:

Транспортные средства с обычным двигателем внутреннего сгорания (ДВС) требуют мощности и производительности от двигателя в широком диапазоне скоростей (об / мин) и нагрузок. Это фундаментальное требование означает, что обычные двигатели не могут всегда работать с оптимальной эффективностью.Однако система Nissan e-POWER использует бортовой двигатель в качестве специального генератора электроэнергии для электронной трансмиссии системы. Работа двигателя ограничена его наиболее эффективным диапазоном, соответствующим образом регулируя выработку электроэнергии двигателем и количество электроэнергии, хранящейся в батарее.

Благодаря такому целенаправленному подходу, а также развитию аккумуляторных технологий и методов управления энергопотреблением Nissan смог улучшить термический КПД по сравнению с нынешними уровнями. Разработка системы e-POWER следующего поколения продолжает этот путь повышения эффективности благодаря проектированию и разработке двигателя Nissan исключительно для e-POWER.

G / O Media может получить комиссию

SAE определяет тепловой КПД двигателя как:

Тепловой КПД теплового двигателя — это соотношение между полезной выходной мощностью устройства и входом в энергетическом выражении. Тепловой КПД должен составлять от 0% до 100% в процентах. Из-за таких факторов, как трение, потери тепла и т. Д., Термический КПД обычно намного меньше 100%.

SAE также сообщает, что типичный автомобильный двигатель работает только с тепловым КПД около 25 процентов, хотя в последнее время мы наблюдаем около 40 процентов в ряде приложений.Автопроизводители всегда стремятся к повышению эффективности, чтобы их двигатели лучше использовали сжигаемое топливо. Достижение 50-процентной эффективности — это большое дело.

Чтобы получить это, казалось бы, волшебное число, компания Nissan разработала концепцию STARC — прочного, неустойчивого и надежно растянутого канала зажигания. Это название сбивает с толку, но в марке говорится, что эта концепция увеличивает тепловой КПД за счет улучшения потока топливовоздушной смеси в цилиндре и за счет использования высокоэнергетической системы зажигания, которая обеспечивает более надежное зажигание разбавленного горения.(Nissan называет разбавленную смесь более бедной или более инертной в смеси. EGR — это рециркуляция выхлопных газов, то есть выхлопные газы, закачиваемые в цилиндр.) , точный поток жидкости через свечу зажигания при зарождении сильного начального фронта пламени, который необходим для полного сгорания, особенно для разбавленных смесей и особенно при высоких степенях сжатия (оба из которых позволяют повысить эффективность, как показано на слайде выше).

Ниже вы можете увидеть, как Nissan смоделировал скорость жидкости в цилиндре во время такта сжатия. По словам Nissan, поддержание опрокидывания до конца такта сжатия является ключом к созданию стабильной скорости жидкости через свечу зажигания, что дает c-образный «канал выпуска» зажигания, который в конечном итоге позволяет полностью сжечь разбавленное топливо. смесь без стука.

Обычно достижение такой точности потока достигается за счет оптимизации формы впускных каналов / клапанов и днища поршня.Взгляните на векторы скорости жидкости в камере сгорания:

Чтобы лучше понять, как новая конструкция обеспечивает стабильную скорость жидкости через свечу, компания предоставила эту анимацию, которая также показывает для сравнения более традиционную конструкцию:

Nissan говорит, что во время внутреннего тестирования смогла достичь теплового КПД 43% при использовании рециркуляции выхлопных газов и 50% при работе двигателя на фиксированных оборотах, фиксированной нагрузке и рециркуляции выхлопных газов.

С учетом всего вышесказанного Тошихиро Хираи, старший вице-президент Nissan по силовым агрегатам и электромобилям, дает понять, что эта технология потребует некоторого времени. От Automotive News:

Потребовалось 50 лет, чтобы повысить тепловой КПД (обычных двигателей) с 30 до 40 процентов », — сказал Хираи.

Но с помощью e-Power мы можем увеличить его до 50 процентов за несколько лет. Это было целью инженерного сообщества », — сказал он, охарактеризовав этот уровень как« конечную и сложную цель.

Тем не менее, это довольно крутая разработка, и будет здорово увидеть, как Nissan ее пойдет.

Чтобы получить полную техническую информацию, обратите внимание на это занудство:

Мы обратились к некоторым инженерам силовых агрегатов, чтобы узнать их мнение об этой конструкции.

(Некоторый контекст добавлен Дэвидом Трейси)

Новый высокоэффективный двигатель указывает путь к достижению целевых показателей по выбросам CO2

Пройдет несколько лет, прежде чем все автомобили на немецких, европейских и международных дорогах будут оснащены двигателями без выбросов CO2. Даже если с 2025 года не будет разрешено продавать новые автомобили с двигателями внутреннего сгорания, можно разумно предположить, что пройдет как минимум до 2040 года, чтобы (почти) все автомобили с бензиновым и дизельным двигателем исчезли с дорог. Таким образом, для достижения целевых показателей выбросов CO2 к 2030 году автомобили с двигателями внутреннего сгорания также должны будут стать значительно более энергоэффективными.

В рамках исследовательского проекта, инициированного Исследовательской ассоциацией двигателей внутреннего сгорания (FVV), известного как « ICE2025 +, », ученые из немецких городов Аахен, Брауншвейг, Дармштадт и Штутгарт изучили, «насколько эффективны бензиновые двигатели. могут быть увеличены с помощью различных технологических комбинаций.Как выяснилось, во всех изученных трансмиссиях двигатель внутреннего сгорания поддерживался электрическим приводом. Особенно если речь идет о городском транспорте. «Но мы провели все тесты и моделирование таким образом, чтобы в конце пути в аккумуляторе оставалось столько же электричества, сколько в начале», — поясняет профессор д-р инж. Кристиан Бейдл, руководитель Института двигателей внутреннего сгорания и приводов транспортных средств Технического университета Дармштадта.«Это позволяет внимательно отслеживать, как меняются уровни эффективности в результате различных мер, которые были выполнены на двигателе».

Проект, на завершение которого ушло около двух с половиной лет, начался с того, что исследователи определили, какие технические изменения могут значительно повысить эффективность двигателя. Однако эти изменения должны были соответствовать двум основным условиям: во-первых, они должны были быть «зрелыми технологиями», у которых есть реальная вероятность внедрения в серийное производство до 2030 года.Во-вторых, они планировали изучить комбинации нескольких технологий, а не отдельные технологии по отдельности.

Подпишитесь на IO в Telegram!

Хотите вдохновляться 365 дней в году? Вот возможность. Мы предлагаем вам один «источник инноваций» в день в компактном сообщении Telegram. Семь дней в неделю, доставка около 20:00. CET. Прямо из нашей редакции. Подпишитесь здесь, это бесплатно!

«Простое добавление отдельных мер не было вариантом, потому что оно не учитывает взаимодействия между технологиями», — объясняет проф.Д-р инж. Питер Эйлтс, руководитель Института двигателей внутреннего сгорания Технического университета Брауншвейга. Как и в случае комбинаций регулируемого сжатия и гибкого выбора фаз газораспределения, рециркуляции выхлопных газов, клапанов управления движением заряда, форкамерного зажигания, впрыска воды, а также конфигурации двигателя как длинноходного двигателя. Все они были изучены. Ученые подтвердили влияние на расход топлива сначала на основе расчетов, затем с помощью различных испытаний двигателя, а также экстраполировали другие потенциальные преимущества на основе своих выводов.

Наконец, исследователи использовали результаты испытаний и расчетов для определения расхода топлива в различных гибридных транспортных средствах. И не только о расходе топлива «для официальных данных о расходе в соответствующем испытательном цикле». но также и в реальном дорожном движении в реальном времени. Для этого они выбрали профиль вождения, который соответствует требованиям так называемых тестов RDE (« Real Driving Emissions» ).«Нам удалось объединить технологии таким образом, чтобы показатели потребления в условиях RDE были ниже, чем те, которые были определены в испытательном цикле WLTP (« Согласованная во всем мире процедура испытаний легковых автомобилей »)», — говорит профессор д-р — Ing. Стефан Пишингер, заведующий кафедрой двигателей внутреннего сгорания в RWTH Ахенском университете.

Результаты показали, что более 40 процентов энергии топлива может быть использовано в реальном дорожном движении, если доступные технологии для двигателя внутреннего сгорания оптимально согласованы.Например, в среднеразмерном автомобиле с гибридным приводом разработанный высокоэффективный двигатель уже мог использовать 42 процента энергии, содержащейся в топливе. Общий коэффициент полезного действия можно также повысить до 46 процентов за счет использования синтетического топлива (электронного топлива).

В конце концов, исследователи также изучили потенциал «двигателей , работающих на обедненной смеси ». Другими словами, двигатели, которые работают с высоким уровнем избытка воздуха. Они обнаружили, что уровни эффективности двигателя могут быть увеличены на два-три процентных пункта в обширных диапазонах карт двигателя.«Это означает, что эффективность в 50 процентов вполне достижима», — говорит профессор д-р инж. Майкл Бархенде, заведующий кафедрой автомобильных приводов в Институте автомобильных технологий Штутгартского университета.

«Результаты исследовательского проекта актуальны для обсуждения преимуществ электронного топлива», — подчеркивает Бархенде. «Во многих анализах предполагается, что КПД двигателя внутреннего сгорания составляет не более 25 процентов. Исследование теперь показывает, что более 40 процентов может быть достигнуто в реальном движении, если двигатель, трансмиссия и гибридные компоненты правильно спроектированы с учетом концепции привода », — объясняет ученый. «Работа на синтетическом топливе делает гибридные двигатели не только углеродно-нейтральными, но и почти нет никакой разницы в общей эффективности по сравнению с другими альтернативами привода, если синтетическое топливо производится в местах, где значительно больше часов солнечного света или ветра, чем это возможно в Германии. .”

Между тем, FVV уже планирует свой следующий проект. «ICE2030 » — это использование водорода для повышения эффективности. «Кроме того, следует изучить синергизм с другими высокоэффективными технологиями, такими как сверхбедное сжигание».

50% КПД бензинового двигателя в поле зрения

Эта статья также появляется в

Бензиновый двигатель Delphi Gen3X с непосредственным впрыском и воспламенением от сжатия (GDCI) продемонстрировал примерно 43 балла. Тепловой КПД 5%, но разработчики говорят, что есть потенциал для большего. (Delphi)

Исследователи двигателей: на горизонте 50% эффективности бензинового двигателя

2019-04-09 Билл Висник

Выступая на симпозиуме SAE High-Efficiency IC Engine, предшествующем конференции WCX19 на этой неделе в Детройте, ведущий исследователь долгосрочной программы Delphi Technologies, направленной на максимальное повышение теплового КПД бензиновых двигателей, сказал, что последние разработки обещают обеспечить готовый к производству бензиновый двигатель с тепловым КПД около 50%.

Марк Селлнау, который до недавнего времени оставил Delphi для работы в Aramco, руководил программой разработки системы сгорания бензина с непосредственным впрыском и воспламенением от сжатия (GDCI) Delphi и представил результаты испытаний третьего поколения 4-цилиндрового двигателя GDCI, получившего название Gen3X. Селлнау резюмировал анализ в недавнем техническом документе SAE, подробно описывающем достижения Gen3X (SAE 2018-01-0901), заявив, что усовершенствования, примененные к двигателю Gen3X, повысили его термический КПД тормозов (BTE) до 43.5%.

Но, добавил он, в концепции четвертого поколения двигателя прогнозируется повышение его эффективности примерно до 48% или выше — «Почти практические пределы для легкового двигателя внутреннего сгорания» в практической трансмиссии, сказал он. , также подтверждая, что Gen4X — это «двигатель, который мы планируем построить в ближайшем будущем».

Между тем, существующий двигатель Gen3X, соединенный с 8-ступенчатой ​​автоматической коробкой передач и 12-вольтовой системой старт-стоп и установленный в легковом автомобиле среднего размера, продемонстрировал экономию топлива 61 миль на галлон в цикле шоссе и 48 миль на галлон в городском цикле.Селльнау сказал, что двигатель Gen4X, как ожидается, будет способен развивать скорость 68 миль на галлон на шоссе.

Успехи в сокращении затрат и повышении производительности
На данный момент, однако, усовершенствования двигателя Gen3X еще больше улучшают концепцию GDCI, которая разрабатывалась в рамках исследовательской программы Департамента энергетики США стоимостью 9,8 млн долларов США, которая началась в 2011 г. и производились две предыдущие версии двигателя. «Все эти двигатели уже устарели», — категорично заявил Селльнау. «Ни один из них не отвечает требованиям для коммерческих двигателей малой мощности.”

Sellnau сказал, что многочисленные изменения позволили снизить стоимость и сложность новейшего двигателя Gen3X и повысить производительность, не говоря уже о долговечности. «Я вижу лучшую надежность», — сказал он участникам давнего симпозиума по высокоэффективным двигателям ИС в 2019 году. «Вы можете это почувствовать».

Главным среди конструктивных изменений является установка компрессора с регулируемым впуском (VIC) и турбонагнетателя с регулируемым соплом (VNT), что позволило исследователям отказаться от нагнетателя, необходимого для двигателя GDCI второго поколения, что значительно снизило стоимость.

Не менее важно управление сложной «частично предварительно смешанной» топливно-воздушной смесью (в отличие от некоторых других бензиновых конструкций с воспламенением от сжатия, таких как Mazda SpCCI, Delphi GDCI не использует свечи зажигания для увеличения самовоспламенения при определенных условиях) для Gen3X Теперь двигатель поставляется в двух различных рабочих «регионах»: режим низкой нагрузки / холодного запуска и отдельная рабочая фаза для работы со средней и высокой нагрузкой. «С точки зрения контроля это относительно просто», — сказал Селльнау.

Другие важные новые особенности двигателя Gen3X включают более высокую степень сжатия 17: 1 (по сравнению с 14,5: 1) и увеличенное отношение длины хода к диаметру цилиндра (1,28). Увеличенный ход уменьшает объем поверхности поршня, что помогает снизить тепловые потери.

Переход к четвертому поколению
Но, несмотря на значительный рост производительности, эффективности и сокращения выбросов, Селлнау указывает, что продолжающиеся исследования уже обращаются к двигателю Gen4X, в основном из-за низких цен на бензин в США. S. подтолкнули потребителей к более крупным автомобилям, в то время как тенденции ценообразования на дизельное топливо сделали его еще более неблагоприятным после глобального исследования выбросов дизельных двигателей. И, добавляет он, исследования показывают, что двигатель GDCI может заметно превосходить эффективность лучших на сегодняшний день бензиновых двигателей с искровым зажиганием и гибридных электромобилей, которые, по его словам, также тяжелее и сложнее.

Он утверждает, что нынешний двигатель Gen3X уже демонстрирует удовлетворительную кривую крутящего момента, подобную дизельной, и отвечает требованиям проекта по шуму, в то время как его удельный расход топлива на тормоз 194 г на кВт · ч соответствует 43.5% BTE, что превосходит современные стандарты производства двигателей с искровым зажиганием.

Он предвидит новую разработку термобарьерных покрытий как новое достижение, которое поможет усовершенствовать двигатель Gen4X, и сказал, что «планируется OEM-программа с несколькими автомобилями» для разработки Gen4X.

Преимущество возобновляемых видов топлива в высокоэффективных двигателях

Фундаментальные исследования двигателей показывают преимущества возобновляемых видов топлива для эффективного сгорания

Брайан Вебер

В стандартном поршневом двигателе дизельное топливо с метанолом работает лучше, чем дизельное топливо с традиционным бензином, с низким уровнем выбросов и максимальной эффективностью 48%.В модифицированном двигателе с меньшим перемешиванием и теплопередачей метанол с дизельным топливом давал низкие выбросы и КПД почти 51%. Результаты показывают, что адаптация двигателя к двухтопливному режиму может дать более многообещающие результаты.

Примерно 95% энергии, используемой в транспортных средствах, поступает из источников ископаемого топлива, поэтому повышение эффективности двигателей может существенно снизить их расход топлива. Кроме того, производя топливо из возобновляемых источников, таких как растения, мы можем снизить воздействие горения на окружающую среду.Однако использование новых типов топлива в более эффективных двигателях может иногда приводить к нежелательным результатам, таким как увеличение выбросов, поэтому фундаментальные исследования, подкрепленные систематическими испытаниями двигателей, имеют решающее значение для обеспечения оптимальной работы двигателей и топлива. Ученые из Центра исследований границ энергии горения (CEFRC) разработали концепцию более эффективного и менее загрязняющего двигателя и проверили его работу с использованием новых видов топлива с помощью обширных фундаментальных исследований.

В концепции двигателя используется несколько видов топлива, которые последовательно вводятся в камеру сгорания.За счет впрыска топлива с низкой реакционной способностью, а затем топлива с высокой реактивностью, двигатель может сильнее сжимать газы и достигать более высокого термодинамического КПД, чем обычные двигатели. Из-за их доступности и большой разницы в реактивности часто используются бензин (низкая реактивность) и дизельное топливо (высокая реактивность). Изменяя относительное количество этих видов топлива, компьютер двигателя может одновременно оптимизировать выбросы и эффективность.

В недавнем исследовании команда протестировала несколько методов дальнейшей оптимизации этой концепции.Они сравнили эффективность и выбросы закиси азота (NOx) в четырех случаях, используя две топливные комбинации в двух конструкциях двигателей. Конструкция двигателя представляла собой поршневой двигатель, оптимизированный для обеспечения высокой эффективности, и стандартный поршневой двигатель. В качестве топлива были протестированы метанол / дизельное топливо и бензин / дизельное топливо, учитывая, что метанол является возобновляемым топливом.

Результаты показали, что замена бензина на метанол в качестве топлива с низкой реактивностью при использовании штатного поршня увеличивает выбросы NOx из двигателя. Использование высокоэффективного поршня увеличило выбросы NOx при использовании комбинаций метанол / дизельное топливо и бензин / дизельное топливо по сравнению со стандартным поршнем, использующим ту же комбинацию топлива.Более высокие температуры были достигнуты в цилиндре двигателя с помощью высокоэффективного поршня, что привело к более высоким выбросам NOx. Тем не менее, выбросы NOx все еще были ниже целевых уровней выбросов, установленных правительством. Этот результат показывает, что при оптимизации конструкции двигателя часто требуется компромисс между различными целями.

Эксперименты также выявили некоторые преимущества новой концепции двигателя. Например, использование комбинации метанол / дизельное топливо со стандартной поршневой конструкцией улучшило эффективность работы двигателя примерно на 5% по сравнению с использованием комбинации бензин / дизель.Аналогичным образом, для высокоэффективной поршневой конструкции КПД двигателя при работе с комбинациями метанол / дизельное топливо был выше, чем при работе с комбинациями бензин / дизельное топливо. Исследователи обнаружили, что эффективность двигателя увеличилась почти на 10% при использовании комбинаций метанола / дизельного топлива с высокоэффективным поршнем по сравнению с использованием комбинаций бензин / дизель со стандартным поршнем. Таким образом, используя метанол с высокоэффективным поршнем, эффективность двигателя может быть существенно увеличена, что приведет к аналогичному увеличению расхода газа.

Эти многообещающие результаты для метанола предполагают, что исследование других вариантов возобновляемого топлива может выявить другие преимущества, возможно, за счет использования возобновляемых видов топлива для топлива с высокой реакционной способностью в дополнение к топливу с низкой реактивностью.

Ученые исследуют возобновляемые виды топлива и конструкцию двигателей в поисках баланса между эффективностью и качеством воздуха

Использование новых типов топлива в более эффективных двигателях может иногда приводить к нежелательным результатам, поэтому фундаментальные исследования, подкрепленные систематическими испытаниями двигателей, имеют решающее значение для обеспечения оптимальной работы двигателей и топлива. Ученые из Исследовательского центра Combustion Energy Frontier разработали концепцию более эффективного, менее загрязняющего двигателя и проверили его работу с использованием новых видов топлива.

Когда дело доходит до устаревших двигателей внутреннего сгорания, задача состоит в том, чтобы получить всю энергию из топлива без выброса загрязняющих веществ. Один из вариантов достижения этой цели называется воспламенением от сжатия с контролируемой реактивностью. Этот процесс жестко контролирует количество и использование двух или более видов топлива с разными уровнями реактивности для повышения эффективности и снижения выбросов закиси азота и сажи.Ученые исследовали высокореактивное дизельное топливо в сочетании с метанолом, которое имеет низкую реакционную способность и может быть синтезировано из возобновляемых источников. В стандартном поршневом двигателе дизель с метанолом работал лучше, чем дизель с традиционным бензином, с низким уровнем выбросов и максимальной эффективностью 48%.