Двигатель внутреннего сгорания кпд: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах

Поиск

Что такое коэффициент полезного действия двигателя

Анализируем эффективность работы персонала

Для эффективного управления персоналом и увеличения объемов производства постоянно проводятся ежедневные, еженедельные, ежемесячные, квартальные и годовые отчеты по их производительности и эффективности работы.

Учитываются не только показатели по работе одного сотрудника, но и целых отделов и проводятся сравнения в том или ином направлении деятельности предприятия, что прямо влияют на показатели годовой выработки и соответственно от этого зависит получение запланированной прибыли. Все вышеперечисленные факторы и показатели, что применяются для расчета производительности персонала, тесно связаны между собой и характеризуют общий результат деятельности компании.

При проведении анализа производительности труда персонала учитывается удельный вес отдельных видов продукции в общей производительности. Здесь проводятся расчеты для продукции с высокими затратами трудовых ресурсов и более низкими, по необходимости рассчитывают среднее значение.

Анализируют не только показатели по производительности и проводят их сравнение, и оптимизацию, но и обозначают соответствующие резервы компании для уменьшения общей трудоемкости на изготовление продукции как по конкретным видам, так и по предприятию в целом.

Самым из простых способов по контролю и управлению производительностью труда персоналом является выполнение плановых показателей (или соответственно их недовыполнение или перевыполнение).

Основными целями анализа являются следующие:

• напряженность плана по производительности работы персонала, определение степени;
• выявление факторов, что влияют на показатели эффективности работы сотрудников;
• сравнение соответствующих показателей;
• внедрение и оптимизация предприятий, направленных на увеличение производительности работников организаций.

Планы по производительности в основном анализируют по таким показателям, как плановые и фактические показатели, а уже исходя из результатов отклонений (в меньшую или большей сторону) внедряются соответствующие методы и мероприятия.

Падение КПД и общие потери в электродвигателе

Существует множество негативных факторов, под влиянием которых складывается количество общих потерь в электрических двигателях. Существуют специальные методики, позволяющие заранее их определить. Например, можно определить наличие зазора, через который мощность частично подается из сети к статору, и далее — на ротор.

Потери мощности, возникающие в самом стартере, состоят из нескольких слагаемых. В первую очередь, это потери, связанные с и частичным перемагничиванием сердечника статора. Стальные элементы оказывают незначительное влияние и практически не принимаются в расчет. Это связано со скоростью вращения статора, которая значительно превышает скорость магнитного потока. В этом случае ротор должен вращаться в строгом соответствии с заявленными техническими характеристиками.

Значение механической мощности вала ротора ниже, чем электромагнитная мощность. Разница составляет количество потерь, возникающих в обмотке. К механическим потерям относятся трения в подшипниках и щетках, а также действие воздушной преграды на вращающиеся части.

Для асинхронных электродвигателей характерно наличие дополнительных потерь из-за наличия зубцов в статоре и роторе. Кроме того, в отдельных узлах двигателя возможно появление вихревых потоков. Все эти факторы в совокупности снижают КПД примерно на 0,5% от номинальной мощности агрегата.

При расчете возможных потерь используется и формула КПД двигателя, позволяющая вычислить уменьшение этого параметра. Прежде всего учитываются суммарные потери мощности, которые напрямую связаны с нагрузкой двигателя. С возрастанием нагрузки, пропорционально увеличиваются потери и снижается коэффициент полезного действия.

В конструкциях асинхронных электродвигателей учитываются все возможные потери при наличии максимальных нагрузок. Поэтому диапазон КПД этих устройств достаточно широкий и составляет от 80 до 90%. В двигателях повышенной мощности этот показатель может доходить до 90-96%.

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.

Формула 1 — коэффициент полезного действия

Где—A
полезная работа

—Q
суммарная работа, которая была затрачена

Любая система, совершающая какую либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа. Возьмем, к примеру, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.

Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери. Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.

Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любом системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.

КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.

В заключение можно сказать, что КПД определяет уровень совершенства, какого либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.

Задачи на КПД тепловых двигателей с решениями

Формулы, используемые на уроках «Задачи на КПД тепловых двигателей».

Относится ли ружьё к тепловым двигателям? Да, так как при выстреле внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Задача № 1.
 Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4 МДж потребовалось 8 кг бензина.

Задача № 2.
 Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 220,8 МДж потребовалось 16 кг бензина.

Задача № 3.
 Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 27,6 МДж потребовалось 2 кг бензина.

Задача № 4.
 На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 80 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 20 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

Задача № 5.
 Патрон травматического пистолета «Оса» 18×45 мм, содержит резиновую пулю массой 8,4 г. Определите КПД патрона, если пуля при выстреле приобрела скорость 140 м/с. Масса порохового заряда патрона составляет 0,18 г, удельная теплота сгорания пороха 3,8 • 106 Дж/кг.

Задача № 6.
 Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • 106 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

Задача № 7.
 Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 • 104 кДж, и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД этого двигателя.

Задача № 8.
 За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?

Задача № 9.
 Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.

Задача № 10.
  ОГЭ
 Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, 80 % теплоты, полученной от нагревания, передаёт охладителю. Количество теплоты, получаемое рабочим телом за один цикл от нагревателя, Q₁ = 6,3 Дж. Найти КПД цикла ɳ и работу А, совершаемую за один цикл.

Задача № 11.
   ЕГЭ
 Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q₂ = 13,4 кДж. Найти КПД цикла ɳ.

Это конспект по теме «ЗАДАЧИ на КПД тепловых двигателей». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к теме: ЗАДАЧИ на Закон Ома.
• Посмотреть конспект «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания».
• Вернуться к списку конспектов по Физике.
• Проверить свои знания по Физике.

Почему производительность труда так важна в деятельности каждой организации

Производительность труда – это эффективность работы персонала в той или иной отрасли производства и рынка услуг отображается количественным числом изготовленной продукции или проданных услуг конкретным сотрудником за определенный период времени. В основном рассчитывают этот показатель за месяц работы и сравнивают с результатами работы других сотрудников, что работают на аналогичных должностях и имеют те же трудовые обязанности в количественном числе.

Обратным показателем величины производительности труда персонала является трудоемкость. Трудоемкость – это период времени (его количество) на изготовление одной единицы продукции или услуги (в зависимости от сферы деятельности сотрудника в организации).

Если увеличивается эффективность работы персонала организации, то соответственно снижается количество затрат рабочего времени, себестоимость изготавливаемой продукции значительно снижается, повышается общая экономическая эффективность производства.

Эффективность работы персонала прямо влияет на производственный цикл и его обороты. Чем быстрее происходит оборот средств (оборотных), тем скорее эти оборотные средства “освобождаются” из процесса оборота.

На темпы увеличения оборота оборотных средств влияют следующие показатели:

• увеличения количества и объемов продаж;
• работа над снижением затрат человеческих ресурсов на изготовление продукции или услуг;
• постоянное усовершенствование качества и конкурентных способностей товаров и услуг;
• общее сокращение и ускорение темпов производственного цикла;
• усовершенствование систем снабжения и сбыта и т.д.

Во всех компаниях постоянно стараются увеличивать количество изготавливаемой продукции или предлагаемых услуг за конкретный период времени, а это в свою очередь сокращает статью по затратах на изготовление одной ее единицы.

В конце каждого месяца отделы кадров (или иные отдели по рекрутингу) проводят статистику по производительности труда персонала в той или иной области. Это могут быть различные производственные отделы в одной и той же фирме. Практикуют методы “слабого звена”: с сотрудниками, с наименьшими показателями по производительности труда персона, проводятся дополнительные обучения, применяются системы штрафов и т.д.

Компаниям не выгодно оплачивать труд персонала, с низкой эффективностью работы, так как это прямо влияет на получение общей прибыли. В то же время сотрудников, с хорошими показателями по производительности труда, постоянно поощряют в виде премий, бонусов, дополнительных отпусков и других видов бонусных программ.

Wells to wheel: экономичность электромобиля

Колодцы к колесам: экономичность электромобиля

Один из распространенных аргументов против электрификации автомобиля заключается в том, что все, что он на самом деле делает, — это перемещает двигатель из одного места в другое — с вашего автомобиля на силовую установку. Отодвигать выхлопные газы подальше от людей дает преимущество, но в целом утверждается, что эффект весьма ограничен.

Угадайте, время математики!

Если мы собираемся сравнить электрику с автомобилями с обычным двигателем внутреннего сгорания («ДВС»), нам нужно провести правильные измерения.

Что касается обычных топливных циклов, мы часто хотим знать о двух основных показателях: «КПД от бака к колесу», который показывает, насколько эффективно ваш двигатель превращает топливо в движение, и «КПД от скважины к колесам», который добавляет энергию, необходимую для получения это топливо в ваш бензобак.

Для обычных автомобилей вы можете просто погуглить эти числа за секунды.Поэтому, если мы хотим провести прямое сравнение, мы хотим получить аналогичные показатели для электромобилей.

Итак, начнем с танка на колесо

Одно из достоинств электродвигателей — то, что они эффективно работают в широком диапазоне скоростей. ДВС варьируется от 0% на холостом ходу до примерно 30% от низкого до среднего. Электродвигатель работает в диапазоне от низких 80 до 90% во всем диапазоне оборотов.

Раньше велись споры о том, должны ли электромобили иметь передачи, как правило, две.Это удерживает двигатель в диапазоне от середины до высокого уровня 90-х, но добавляет сложности. Эта дискуссия окончена; ни один современный электромобиль не имеет более одной шестерни с фиксированной скоростью.

Итак, в электромобиле нет основной системы трансмиссии, компонентов карданного вала, а в некоторых конструкциях даже нет осей или дифференциалов. Современная электрическая трансмиссия намного проще современной бензиновой, а количество деталей в ней в десятки или сотни раз меньше.

Это трансмиссия в Tesla S. Это двигатель между двумя колесами.

Справа — изображение Tesla Model S (из Rides with Chuck), и это в основном весь автомобиль — двигатели расположены между колесами (изображение большого цилиндра посередине), где передняя и задняя ось / трансмиссия будут быть, и аккумулятор в полу автомобиля (светло-серебристая часть вверху слева).

В обычном автомобиле трансмиссия потребляет от двигателя от 5 до 6% энергии, а в электрическом исполнении это значение близко к 0%.

Сам по себе двигатель фантастически эффективен, но это касается электричества, подаваемого к нему от батарей.Это преобразование не является прямым — батареи обеспечивают питание постоянного тока, но двигатель использует переменный ток, поэтому вам нужно использовать «инвертор», чтобы переключить его с одного на другой. Современные инверторы имеют КПД около 95%.

В бензиновом автомобиле топливо, которое закачивается в ваш бак, используется непосредственно в двигателе. Это не относится к электромобилю, где «топливо» — это мощность переменного тока из вашего дома, а бак — это батарея, полная постоянного тока. Таким образом, мы должны преобразовать переменный ток в постоянный с помощью зарядного устройства, эффективность которого также составляет около 95%.

Верно — мы начинаем с переменного тока, превращаем его в постоянный ток, снова в переменный ток, а затем в движение. Звучит не очень хорошо, правда?

И, наконец, нужно учитывать утечку. Когда я заряжаю батарею, не вся энергия сохраняется, часть ее расходуется, проталкивая электроны через батарею. Обычно здесь КПД составляет от 85 до 90%.

Таким образом, приблизительная оценка полного КПД колеса туда и обратно составляет:

0,90 (двигатель и трансмиссия) x 0.95 (инвертор) x 0,90 (аккумулятор) x 0,95 (зарядное устройство) = 73%

Это число хорошо согласуется с утверждениями Tesla, согласно которым КПД составляет 75%. Владельцы Tesla и Leaf сообщают о несколько более низких реальных цифрах зарядки, при этом часть цикла зарядного устройства и аккумулятора составляет порядка 80-85%. Если мы используем эти числа, мы получим:

0,90 (двигатель и трансмиссия) x 0,95 (инвертор) x 0,8 (аккумулятор и зарядное устройство) = 68%

Это небольшая разница, поэтому мы разделим ее и назовем 70%.Как это по сравнению с обычным автомобилем? На самом деле, неплохо. Обычный бензиновый автомобиль имеет КПД между баками и колесами 16%.

Верно, электромобиль на более чем в четыре раза эффективнее при превращении энергии в движение.

Но тогда есть хорошо колесо

Это сравнение не относится к яблокам и яблокам, потому что оно не учитывает источник электричества.

Вы будете получать электроэнергию из различных источников, в том числе угля, природного газа, ядерной энергии и множества возобновляемых источников энергии, таких как гидро-, ветровая и солнечная.Прямо сейчас сеть в Северной Америке претерпевает массовый переход с угля на природный газ. Там все еще много угля. Но есть еще много гидроэнергетики и атомной энергетики. Когда вы усредняете все, это похоже на то, что мы получаем 100% нашей энергии от NG. На самом деле это верно только в США, здесь, в Канаде, мы получаем более половины нашей энергии от гидроэлектростанций, поэтому структура энергоснабжения значительно чище.

NG сжигается в больших турбинах, в основном в реактивных двигателях, которые вращают генераторы. Турбина имеет примерно такой же общий КПД, что и газовый двигатель, работающий на пике, превращая около 30% энергии топлива в мощность вращающегося вала.Остальное, 70% энергии, теряется в виде тепла. Но у турбин есть еще одна хитрость … в вашей машине излишнее тепло уносится через радиатор или через выхлопную трубу. Но на электростанции мы можем это уловить. Мы используем его, чтобы нагреть воду, превратить ее в пар, а затем используем поток для вращения другой турбины. Эти генераторы «комбинированного цикла» могут иметь КПД до 60%. Когда вы учитываете такие вещи, как дросселирование и нагрузка, эти числа снижаются, но средние значения порядка 50% очень распространены, а большинство современных заводов ближе к 55%.

Тогда мы должны передать эту силу вам. Вопреки тому, что вы, возможно, слышали, электрическая сеть на очень эффективна. Из общих потерь в сети США всего около 7%. Это число продолжает снижаться по мере того, как мы совершенствуем системы.

Значит, реальное сравнение танка и колеса:

0,5 (генератор) x 0,93 (потери в линии) x 0,7 (вся сторона кабины) = 33%

Теперь нам еще нужно доставить этот газ на ПГ. Бурение и добыча требует энергии, эквивалентной примерно 9% топлива, и транспортировка ее по трубопроводу чрезвычайно эффективна, составляя около 1.5% энергии. Это означает, что полный цикл составляет:

0,91 (извлечение) x 0,985 (доставка) x 0,33 = 29%

И эта оценка определенно консервативна, в большинстве научных работ она приближается к 35-40%, что на 5-10% лучше, чем то, что я вычислил здесь.

Итак, теперь у нас есть число, которое мы действительно можем сравнить напрямую с бензиновым автомобилем — мы учитываем все, от колодца до колеса, и это число составляет около 30%.

Итак, каково типичное значение расстояния между колесами для обычного автомобиля? Около 14%.

Шкаф электрический

По сути, если мы возьмем бензин, который вы заливаете в машину, и сожжем его в турбине, а затем направим эту мощность на ваш электромобиль, общая эффективность системы удвоится.

Двойной .

И это тупой способ что-то делать. Прелесть «экономии электроэнергии» в том, что батареи можно заряжать в любое время. Они не потребляют уголь и энергию природного газа, которые являются пиковыми расходами в течение дня.Они заряжаются ночью, когда в основном ядерная и ветровая. По мере того, как в смесь включается все больше и больше источников энергии, неизменно более эффективных и менее загрязняющих, чем существующие генераторы, ваш автомобиль становится все лучше и лучше. Вы не можете сделать это со своим существующим автомобилем, эффективность и выбросы которого фиксированы на момент его постройки и, как правило, со временем ухудшаются.

Автомобиль с атомным двигателем. Да, действительно.

Есть люди, которые говорят, что мы должны «сжигать» водород, например, в топливных элементах.Но я могу сделать это на электростанции и отправить его в свою машину с общим убытком всего 30%. Другие говорят, что мы должны использовать больше биотоплива. Но я могу сжечь их на электростанции и отправить в свою машину, что приведет к потере всего 30%. Хотите автомобиль с ядерным двигателем? Сжечь его на электростанции и отправить в мою машину с полными потерями всего 30%.

Вы видите, как это работает? Электромобили сжигают ничего. Это идеальные автомобили с гибким топливом. Какое бы новое топливо мы ни изобрели в будущем, ваша машина будет его сжигать, ничего не меняя.

А пока…

Пока мы ждем неизбежного перехода на электричество, у нас есть проблемы, которые мы хотим решить в ближайшее время. И быстрое решение — подключаемые гибриды, или PEH. Это дает нам все преимущества электричества в подавляющем большинстве поездок и дает вам надежный вариант для длительных поездок. Разница между PEH и полностью электрическим транспортным средством заключается в том, что вы везде носите двигатель, даже если он вам не нужен. Но если вы вытащите его, вам понадобится больше батарей, так что разница не такая большая, как вы думаете.А поскольку у PEH меньше батареи, скажем, на 1/4 меньше, чем у полностью электрического, так что пока батареи остаются такими же дорогими, как сейчас, это гораздо более дешевый вариант.

Итак, я коплю на свой PEH. Мне очень нравится Ford Fusion…

Обновление 2016: Поскольку мой Civic Hybrid отказывается умирать, мой выбор становится все лучше. Стоимость Fusion Hybrid в настоящее время составляет ~ 26 тысяч долларов за базовую модель, но я могу получить Tesla 3 примерно за 40 тысяч долларов. Bolt скоро будет доступен здесь, и ходят слухи, что Subaru сделает электрический Forester или Outback к 2019 году.

Страница не найдена | Национальная безопасность

Похоже, K-9 Scout не смог найти страницу, которую вы искали.

Страница могла быть перемещена, удалена или недоступна по иным причинам.

Чтобы помочь вам найти то, что вы ищете, попробуйте одно или несколько из следующих:

1. Найдите то, что вы ищете, в поле поиска в правом верхнем углу страницы.
2. Воспользуйтесь картой нашего сайта или индексом страниц от А до Я.
3. Взгляните на наши часто запрашиваемые страницы.
4. Проверьте правильность написания и полноты URL (веб-адреса).

Чтобы сообщить о неработающей ссылке, воспользуйтесь формой на нашем веб-сайте.

Дата последней публикации: 2 октября 2017 г.

Является ли энергоэффективность рентабельной? | EnergySage

Последнее обновление 13.07.2020

По оценкам Министерства энергетики США, обычное домашнее хозяйство может сэкономить 25% на счетах за коммунальные услуги с помощью мер по повышению энергоэффективности, что составляет более 2200 долларов в год. Хотя энергоэффективность часто является более дорогим вариантом в краткосрочной перспективе по сравнению с традиционными альтернативами, экономия на счетах за коммунальные услуги в течение срока службы эффективного продукта может полностью компенсировать первоначальную надбавку к стоимости и обеспечить неявный возврат инвестиций для домовладельцев.С учетом того, что номинальные цены на топливо для домашних хозяйств, согласно прогнозам, вырастут только в ближайшие пару десятилетий из-за увеличения производственных затрат, это является еще более убедительным аргументом в пользу инвестиций в энергоэффективность сегодня.

Существует множество энергоэффективных обновлений, которые вы можете сделать в своем доме, от простой замены лампочек до более интенсивных проектов, таких как герметизация утечек воздуха и замена окон. Известно, что энергоэффективность является рентабельным вложением, но фактическая сумма экономии зависит от рассматриваемой модернизации.Общая экономия энергии положительно коррелирует со стоимостью и сложностью модернизации, а это означает, что более обширный ремонт дома приведет к большей экономии с течением времени.

Кроме того, сочетание совместимых обновлений в рамках подхода «весь дом» принесет непропорционально большую экономию по сравнению с их общей начальной стоимостью. Фактически, по оценкам Министерства энергетики, вы потенциально можете сократить свои счета за коммунальные услуги до 30% за счет нескольких энергоэффективных улучшений в регулировании внутренней температуры.

Энергоэффективное освещение

Замена старых лампочек энергосберегающими альтернативами — один из самых простых способов сократить ваши счета за коммунальные услуги. Однако освещение составляет всего 5% от среднего бюджета энергии, и получаемая в результате экономия не так впечатляет по сравнению с другими мерами по повышению энергоэффективности. Тем не менее, компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиоды (светодиоды) потребляют на 65-80% меньше энергии и служат в 10 и 25 раз дольше, чем традиционные лампы накаливания, соответственно.Энергосберегающие галогенные лампы накаливания потребляют на 25% меньше энергии и служат до трех раз дольше, чем стандартные лампы накаливания.

— самый дорогой вариант, в среднем они стоят 8 долларов, что в восемь раз дороже традиционных ламп накаливания. Учитывая средний годовой счет за коммунальные услуги в размере 2200 долларов, расчетная экономия энергии в 75-80% на 12-ваттную светодиодную лампу может привести к сокращению ваших счетов за коммунальные услуги на 22-27,50 долларов в течение года.

Если учесть годовую экономию и более длительный срок службы эффективных ламп, энергоэффективные лампы являются явными победителями как с экологической, так и с финансовой точки зрения.Если содержание ртути в лампах CFL вызывает беспокойство, исследование, опубликованное в журнале Environmental Engineering Science , показало, что оставленной без присмотра сломанной лампе CFL потребуется несколько недель, чтобы выбросить в воздух достаточно ртути, которая потенциально может нанести вред детям.

Что такое энергоэффективный прибор?

В среднем в доме на бытовые приборы приходится чуть менее четверти общего потребления энергии в жилищном секторе. У бытовой техники есть две цены: покупная цена и стоимость эксплуатации прибора.Чтобы определить истинную стоимость устройства в течение срока его службы, умножьте ежемесячные эксплуатационные расходы на срок службы продукта и прибавьте полученную сумму к покупной цене. Хотя закупочные цены на энергоэффективные приборы выше, в долгосрочной перспективе они могут быть более дешевым вариантом из-за более низких эксплуатационных расходов.

При покупке бытовой техники обращайте внимание на сертификат ENERGY STAR. Устройства, сертифицированные ENERGY STAR, будут потреблять меньше энергии во время активного использования и в режиме ожидания, чем сопоставимые традиционные продукты.Распространенными бытовыми приборами, имеющими маркировку ENERGY STAR, являются холодильники, стиральные и сушильные машины, а также посудомоечные машины. Фактическая экономия зависит от срока службы и показателей экономии энергии, предлагаемых энергоэффективными альтернативами, которые различаются в зависимости от конкретного устройства.

Сушилки для белья — одно из наиболее энергоемких бытовых приборов, потребляющее 4% от общего потребления энергии. Сушилки, сертифицированные ENERGY STAR, потребляют на 20% меньше энергии, чем обычные сушилки для одежды, и могут предложить экономию в среднем 210 долларов за весь срок службы.

Холодильники также занимают одно из первых мест в списке энергопотребления, составляя около 6% от потребляемой энергии. Холодильники ENERGY STAR потребляют на 9% меньше энергии, а эффективные стиральные машины потребляют на 25% меньше энергии и на 45% меньше воды по сравнению со стандартными моделями. Посудомоечные машины составляют 1% от стандартного энергопотребления, которое можно в основном снизить за счет сокращения потребления воды. С эффективными посудомоечными машинами вы можете сэкономить воду и иметь более чистую посуду благодаря датчикам почвы, инновационной конструкции решеток для посуды и другим полезным функциям моделей ENERGY STAR.

Водяное отопление

Нагрев воды составляет значительную долю в общем потреблении энергии в жилищах, составляя в среднем 12% от общего потребления энергии в домах. Есть четыре основных способа сократить расходы на нагрев воды:

1. Используйте меньше горячей воды в течение дня, чтобы уменьшить счет за отопление воды
2. Уменьшите значение термостата на водонагревателе, чтобы пропорционально снизить расходы на нагрев воды.
3. Изолируйте водонагреватель и первые 6 футов труб горячей и холодной воды, подключенных к водонагревателю, чтобы минимизировать ненужные потери тепла.
4. Замените водонагреватель на более эффективную модель

Водонагреватели служат в среднем от 10 до 15 лет, что дает энергоэффективным водонагревателям значительное время для экономии по сравнению с более дешевыми традиционными моделями.Если вы хотите заменить водонагреватель, вам следует помнить о типе водонагревателя, который будет соответствовать вашим потребностям, а также о типе топлива, которое он будет использовать. Например, водонагреватели без бака не могут одновременно использовать несколько раз горячей воды, что делает их плохим выбором для больших семей. Бесконтактные змеевики и водонагреватели косвенного действия часто являются неэффективным вариантом для домов, но особенно для тех, которые расположены в более теплом климате. Если вам нужна дополнительная информация, Министерство энергетики США предлагает исчерпывающий обзор всех факторов, которые следует учитывать при покупке нового водонагревателя.

Преимущества энергоэффективных окон

Окна — одни из самых привлекательных элементов любого дома, но они несут ответственность за значительный расход энергии. От 10 до 25% вашего счета за отопление является результатом потери тепла через ваши окна, что составляет от 91,30 до 228,25 долларов, которые вы могли бы сэкономить на своих ежегодных расходах на электроэнергию.

Если вы хотите сократить ненужные расходы на отопление, вы можете заменить окна с одинарным остеклением на окна с двойным остеклением.Для домов в более холодном климате газонаполненные окна с покрытиями с низким коэффициентом излучения (low-E) могут значительно снизить потери тепла. С другой стороны, домохозяйства в более жарком климате должны покупать окна со спектрально-избирательными покрытиями, чтобы уменьшить приток тепла. Покрытия Low-E также могут снизить приток тепла из-за своей отражающей природы, что делает их жизнеспособными вариантами для сохранения тепла зимой и летом.

Оконные шторы также могут играть важную роль в сокращении нежелательных потерь или увеличения тепла, обеспечивая дополнительный слой изоляции между интерьером вашего дома и условиями снаружи.Штормовые окна — еще один вариант минимизации расходов на отопление или охлаждение, а также дополнительное преимущество защиты вашего дома во время экстремальных погодных явлений.

Регулировка температуры

По оценкам Министерства энергетики США, вы можете сэкономить около 30% на счетах за коммунальные услуги, сочетая модернизацию вашей системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, надлежащую герметизацию и изоляцию вашего дома и контроль внутренней температуры с помощью программируемого термостата.

Расходы на отопление и охлаждение составляют 42% от энергопотребления в жилищном секторе и, следовательно, имеют наибольший потенциал для экономии на счетах за коммунальные услуги.Эти расходы можно немного снизить с помощью программируемых термостатов, которые оптимизируют использование температуры в вашем доме. Вы можете настроить свой программируемый термостат на обогрев и охлаждение дома в определенное время и выключить системы отопления и охлаждения, когда вас нет.

Однако программируемый термостат сам по себе не устраняет основную причину ваших высоких счетов за коммунальные услуги. Расходы на отопление и охлаждение сильно зависят от средних региональных температур. Существуют значительные региональные различия в расходах на энергию в США.S. в результате различий в климатических условиях, особенно между западным и северо-восточным регионами. В результате домохозяйства в регионах с более экстремальными температурами могут получить больше преимуществ от модернизации, связанной с отоплением, вентиляцией и кондиционированием воздуха (HVAC).

Кроме того, для поддержания внутренней температуры на любом заданном уровне потребуется больше энергии, если ваш дом не имеет надлежащей герметизации или изоляции. Поскольку интерьер вашего дома более подвержен воздействию внешних температур, потребуется больше энергии для обогрева дома зимой и охлаждения дома летом.

Насколько правильная изоляция влияет на ваши затраты на электроэнергию? Подумайте об этом: дома, построенные до 1950 года и имеющие недостаточное количество теплоизоляции, потребляют на 60% больше энергии на квадратный фут, чем дома, построенные после 2000 года. При средних расходах на отопление и охлаждение в 1049 долларов это означает, что годовой счет за коммунальные услуги примерно на 630 долларов выше по сравнению с в дома с достаточной изоляцией. Даже при максимальной средней стоимости проектов теплоизоляции в 3000 долларов вы можете начать получать реальную экономию всего за пять лет.Те же проблемы, связанные с утечкой воздуха и надлежащей изоляцией, следует учитывать и для воздуховодов, что может снизить ваши счета за отопление и охлаждение на 20%.

Формула эффективности

Эффективность — это мера того, сколько работы или энергии сохраняется в процессе. Во многих процессах работа или энергия теряются, например, в виде отходящего тепла или вибрации. Эффективность — это выходная энергия, деленная на вложенную энергию и выраженная в процентах. Идеальный процесс имел бы эффективность 100%.

η = КПД (греческая буква «эта»)

Вт _из = работа или энергия, производимая процессом.Единицы — Джоули (J).

Вт _в = работа или энергия, вложенная в процесс. Единицы — Джоули (Дж).

Вопросы по формуле эффективности:

1) Строитель вкладывает 20 Дж энергии в один удар молотка по шляпке гвоздя. Энергия, передаваемая на вбивание гвоздя в дерево, составляет 8,0 Дж. Какова эффективность забивания строителем молотком?

Ответ: КПД можно найти по формуле:

η = 0.40 х 100%

η = 40%

Эффективность удара молота составила 40%. Вибрация и нагрев ногтя — две возможные причины потери энергии.

2) Энергетическая эффективность конкретного химического процесса составляет всего 3,00%. Для завершения этого крупномасштабного химического процесса требуется 140 000 Дж энергии. Какая энергия выделяется при этом процессе?

Ответ: Выход энергии можно найти, переписав формулу эффективности:

Вт _{на выходе} = (140000 Дж) (0.03)

Вт _{на выходе} = 4200 Дж

Энергетическая отдача этого химического процесса составляет 4200 Дж.

Эффективность преобразования топлива — x-engineer.org

Двигатели внутреннего сгорания производят механическую работу (мощность) за счет сжигания топлива. В процессе сгорания топливо окисляется (сгорает). Этот термодинамический процесс выделяет тепла , которое частично преобразуется в механической энергии .

Рассмотрим двигатель внутреннего сгорания как систему с определенной границей. В исходном состоянии двигатель будет содержать около реагентов , в основном топливо и воздух.После процесса сгорания двигатель будет в конечном состоянии, содержащем продуктов сгорания (выхлопные газы).

Изображение: Схема процесса горения

Применение первого закона термодинамики к нашей системе двигателя между начальным и конечным состояниями дает:

где:

Q [Дж] — теплопередача
Вт [Дж] — механическая работа
U [Дж] — внутренняя энергия
Т [K] — температура
p [Па] — давление
В [ м ³ ] — объем

Эффективность сгорания

В реальных двигателях процесс сгорания является неполным .Это означает, что не вся энергия топлива, подаваемого в двигатель, высвобождается в процессе сгорания. Есть несколько факторов, которые могут влиять на процесс сгорания, наиболее важными из которых являются воздухозаборник и распыление топлива (размер капель).

Для сжигания топлива внутри цилиндра требуется воздух (кислород). Если кислорода недостаточно, то сгорает не все топливо, поэтому при сгорании выделяется только часть энергии (например, около 96%).

Если мы проанализируем выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания, мы увидим, что он содержит как продуктов неполного сгорания (монооксид углерода CO, оксиды азота NO _x , несгоревшие углеводороды HC, сажа PM), так и продуктов полного сгорания. (диоксид углерода CO ₂ и вода H ₂ O).

Изображение: Функция эффективности сгорания от соотношения топливно-воздушного эквивалента

Если двигатель работает в условиях эксплуатации на обедненной смеси , количество продуктов неполного сгорания невелико из-за избытка кислорода. В рабочих условиях богатых эти количества становятся более значительными, поскольку кислорода недостаточно для полного сгорания топлива.

Поскольку часть химической энергии топлива не полностью высвобождается внутри двигателя во время процесса сгорания, полезно определить эффективность сгорания.

Эффективность сгорания η _c [-] определяется как соотношение между энергией, выделяемой сгоревшим топливом, и теоретическим содержанием энергии в массе топлива в течение одного полного цикла двигателя.

где:

H _R [J] — энтальпия ( внутренняя энергия) реагента
H _P [Дж] — энтальпия (внутренняя энергия) продукта
T _A [K] — температура окружающей среды
м _f [кг] — масса топлива, введенного за цикл
Q _HV [Дж / кг] — теплотворная способность топлива

Теплотворная способность

Теплотворная способность (также известная как энергетическая ценность или теплотворная способность ) фиксированного количества топлива — это количество тепла. выделяется при его сгорании.Теплота сгорания топлива — это величина теплоты реакции, измеренная при постоянном давлении / объеме и стандартной температуре (26 ° C) для полного сгорания единицы массы топлива.

Любое топливо имеет два типа теплотворной способности:

• более высокая теплотворная способность (HHV), также известная как общая теплотворная способность
• более низкая теплотворная способность (LHV), также известная как теплотворность нетто (определяется вычитая теплоту испарения воды из более высокой теплотворной способности)

В качестве примера в таблице ниже мы можем увидеть теплоту сгорания для наиболее распространенных и альтернативных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания:

КПД теплового преобразования

Фактическая величина работы на цикл преобразования топлива связана химическая энергия, выделяемая в процессе сгорания.

Эффективность термического преобразования определяется как соотношение между работой за цикл W _c [Дж] и энергией, выделяемой сгоревшим топливом.

Эффективность термического преобразования показывает, какая часть сгоревшего топлива превращается в полезную механическую работу.

Эффективность преобразования топлива

Эффективность преобразования топлива определяется как соотношение между полезной механической работой, производимой двигателем, и теоретическим содержанием энергии в массе топлива.

Работа за цикл Вт _c [Дж] может быть записана как функция мощности и скорости двигателя :

где:

P [W] — мощность двигателя (указанная)
N [rot / s] — частота вращения двигателя
n _R [-] — количество оборотов коленчатого вала для каждого рабочего хода на цилиндр

Масса топлива , используемая на цикл двигателя m _f [кг] может быть записана как функция массового расхода топлива и частоты вращения двигателя:

, где m _f (точка) [кг / с] — массовый расход топлива.

Замена (5) и (6) на (4) дает выражение для функции эффективности преобразования топлива для мощности двигателя, массового расхода топлива и теплотворной способности топлива:

Удельный расход топлива двигателя SFC [кг / Дж] — это соотношение между массовым расходом топлива и указанной мощностью двигателя:

Замена (8) в (7) дает выражение для функции эффективности преобразования топлива для удельного расхода топлива и теплотворной способности топлива:

Эффективность преобразования топлива также является продуктом между эффективностью сгорания и эффективностью термического преобразования.6} = 0,307 \]

Эффективность преобразования топлива двигателя составляет 30,7%.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Финансовый анализ. Показатели эффективности (коэффициенты управления активами) в Budget-Plan Express

Показатели эффективности (коэффициенты управления активами)

Анализ оборачиваемости характеризует интенсивность использования активов или пассивов организации. Показатели эффективности рассчитываются либо в соотношении, либо в днях одной ротации. Наиболее популярными в финансовом анализе являются следующие коэффициенты оборачиваемости: оборачиваемость запасов, оборачиваемость дебиторской задолженности, оборачиваемость активов и оборачиваемость кредиторской задолженности.

При расчете скорости оборачиваемости в числителе всегда идет финансовый результат в виде выручки, в знаменателе — средняя за период стоимость актива или пассива, оборот которых мы анализируем.

При расчете количества дней оборота количество дней (360, 90, 30 соответственно год, квартал, месяц) делится на коэффициент годового оборота.

1. Коэффициент оборачиваемости запасов (ИТ), дней

Оборачиваемость запасов показывает, сколько раз за анализируемый период организация использовала средний доступный остаток запасов.Этот показатель характеризует качество запасов и эффективность управления ими, позволяет выявить остатки неиспользованных, устаревших или некондиционных запасов.

Важность показателя связана с тем, что прибыль возникает при каждом «обороте» запасов (т. Е. Использовании в производстве, операционном цикле). Обратите внимание, под запасами в данном случае понимаются товарные запасы (запасы готовой продукции) и производственные запасы (запасы сырья и материалов). Оборачиваемость товарных запасов рассчитывается как отношение себестоимости продаж к среднегодовому остатку товарных запасов:

Оборачиваемость запасов (коэффициент) = Материальные затраты / Среднегодовой остаток запасов

Наряду с коэффициентом оборачиваемости часто рассчитывается скорость оборачиваемости в днях.В данном случае это означает — на сколько дней работы у компании будут свободные запасы.

Оборачиваемость запасов в днях = 360 / Коэффициент оборачиваемости запасов

Для показателей товарооборота общепринятых стандартов не существует, их следует анализировать в рамках одной отрасли, а еще лучше — в динамике для конкретного предприятия. Уменьшение коэффициента оборачиваемости запасов может отражать накопление избыточных запасов, неэффективное управление складом, накопление непригодных материалов.Но высокая текучесть кадров не всегда является положительным показателем, так как может говорить об истощении складских запасов, что может привести к перебоям в производственном процессе.

Коэффициент оборачиваемости дебиторской задолженности показывает, сколько раз за период (год) организация получала от клиентов платеж в размере среднего остатка неоплаченной задолженности.Показатель измеряет эффективность работы с покупателями в части взыскания дебиторской задолженности, а также отражает политику организации в отношении продаж в кредит.

Оборачиваемость дебиторской задолженности (коэффициент) = Выручка / Средний остаток дебиторской задолженности

Также расчет показателя распределяется не в виде коэффициента, а в виде количества дней, в течение которых дебиторская задолженность остается неоплаченной:

Оборачиваемость дебиторской задолженности в днях = 360 / Коэффициент оборачиваемости дебиторской задолженности

По оборачиваемости дебиторской задолженности, как и по другим показателям оборачиваемости, нет четких нормативов, поскольку они сильно зависят от отраслевых особенностей и технологий предприятия.Но в любом случае, чем выше коэффициент, т.е. чем быстрее покупатели расплачиваются с долгами, тем лучше для организации. В то же время эффективная деятельность не обязательно сопровождается высокой текучестью. Например, при продаже в кредит остаток дебиторской задолженности будет высоким, а коэффициент оборачиваемости, соответственно, низким.

Как и оборачиваемость дебиторской задолженности, оборот кредиторской задолженности используется для оценки денежных потоков организации и эффективности расчетов.

Оборачиваемость кредиторской задолженности рассчитывается как отношение стоимости приобретенных ресурсов к средней за период стоимости кредиторской задолженности (обычно не всей, а только связанной с операционной деятельностью компании).

Оборачиваемость кредиторской задолженности (коэффициент) = Закупки / Средняя сумма кредиторской задолженности

Закупки = Себестоимость + Запасы на начало периода — Запасы на конец периода

В российской практике часто используется более условный вариант расчета, когда вместо покупок берется выручка за период.

Помимо расчета коэффициента («количество оборотов») принято рассчитывать оборот в днях:

Оборачиваемость кредиторской задолженности в днях = 360 / Коэффициент оборачиваемости кредиторской задолженности

Результат — среднее количество дней, в течение которых счета поставщика остаются неоплаченными.

Оборачиваемость кредиторской задолженности сильно зависит от отрасли и масштаба организации. Для кредиторов предпочтительнее более высокий коэффициент оборачиваемости, а для самой организации выгоднее иметь низкий коэффициент, позволяющий иметь остаток невыплаченной кредиторской задолженности в качестве бесплатного источника финансирования вашей текущей деятельности.

Оборачиваемость активов (коэффициент) = Выручка / Среднегодовая стоимость активов

или

Оборачиваемость активов (в днях) = 360 / Коэффициент оборачиваемости активов

Определенного стандарта показателей оборачиваемости не существует, так как они зависят от отраслевых особенностей организации производства.В капиталоемких отраслях оборачиваемость активов будет ниже, чем в торговле или сфере услуг.

Желательна большая оборачиваемость активов. Низкая оборачиваемость может свидетельствовать о недостаточной эффективности использования активов. Кроме того, оборот зависит от рентабельности продаж. При высокой прибыльности оборачиваемость активов обычно ниже, а при более низкой доходности — выше.

Следует отметить, что в отличие от показателя «рентабельность активов», где в числителе указана прибыль, оборачиваемость активов не дает представления о рентабельности деятельности (т.е.е., индикатор будет иметь положительное значение в случае убытков).

Пояснения к расчету месячных, квартальных и годовых значений

Пояснения к расчетам месячных, квартальных и годовых значений с использованием среднегодовых значений на примере расчета коэффициентов оборачиваемости запасов:

Оборачиваемость запасов (коэффициент) = Материальные затраты / Среднегодовой остаток запасов

Оборачиваемость запасов в днях = 360 / Коэффициент оборачиваемости запасов

Как правило, для расчета среднегодовой стоимости активов находят их количество на начало и конец года и делят на «2». Однако более правильные и точные вычисления получаются при использовании формулы, которая называется — средний хронологический момент ряда . Для всех коэффициентов, использующих средние значения, эта формула используется в расчетах.

Таблица результатов расчета коэффициентов оборачиваемости:

Средние запасы за период (год) = (5/2 + (4 + 6 + 4 + 5 + 4 + 8 + 2 + 5 + 7 + 6) + 3/2) / n-1 = 5
Где:

5/2 + 3/2 — половина первого и последнего периода,
(4 + 6 + 4 + 5 + 4 + 8 + 2 + 5 + 7 + 6) — сумма промежуточных периодов,
n-1 = 11 — количество расчетных периодов.

В ходе анализа любой финансовый показатель целесообразно оценивать не с точки зрения его соответствия определенным стандартам, а с точки зрения реального положения дел в компании. В этом случае, конечно, полезно сравнить показатели рассматриваемой организации с показателями ее конкурентов и отрасли в целом.

Кроме того, важно понимать, что стоит за каждым индикатором. Например, для крупного авиационного предприятия с длительным производственным циклом оборачиваемость запасов за 180 дней может быть абсолютно приемлемой, а для торговой сети такая величина может свидетельствовать о серьезных проблемах с реализацией товара.

Поделиться:

Повышаем КПД генератора

Подавляющее большинство электрических генераторов, используемых как в быту, так и в промышленных целях, работают за счёт энергии двигателя внутреннего сгорания, в качестве топлива в котором используются бензин, дизельное топливо или газ. С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания прошло уже полторы сотни лет, но превращение сгорающего топлива в энергию по-прежнему остаётся самым эффективным способом её получения. Но на фоне всех достоинств ДВС выделяется главный его недостаток – низкий КПД и высокие потери энергии.

В среднем при использовании двигателя внутреннего сгорания на выходе можно получить лишь 20% энергии, тогда как её потери, соответственно, составляют до 80%. В эти 80% входят следующие потери:

·         Потери топлива. Поршневые двигатели (как бензиновые, так и дизельные) сжигают лишь 75% всего топлива, а оставшиеся 25% в виде паров топлива вместе с продуктами его сгорания выходят через выхлопную трубу. В двухтактных двигателях топливная эффективность ещё ниже.

·         Потери тепла. Современные двигатели внутреннего сгорания используют порядка 35-40% вырабатываемого тепла, а остальные 60-65% выбрасываются в окружающую среду через выхлопные газы и систему охлаждения.

·         Потери механической мощности. До 10% мощности двигателя уходит на трение движущихся частей и на привод вспомогательных механизмов. Для электрогенераторов этот показатель ещё выше.

Таким образом, КПД самого эффективного двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%. Чтобы добиться от дизельного или бензинового двигателя максимальной эффективности, необходимо воздействовать на все три типа потерь. Самостоятельно повысить КПД генератора достаточно сложно, но в руках профессионала ваш двигатель может обрести небывалую эффективность, которая достигается следующими способами:

·         Внедрение дожигателя. Этот способ направлен на повышение топливной эффективности. Дожигатель преобразует неиспользованные пары топлива и продукты неполного его сгорания в топливно-воздушную смесь и отправляет её на повторное сгорание. Таким образом, удаётся добиться почти полного сгорания топлива и на 10-15% повысить общий КПД двигателя.

·         Возврат части тепловых потерь.

·         Использование тепла высокотемпературных продуктов сгорания для обогрева прилегающей территории или нагрева пара в парогазовой электростанции. Это не повышает КПД двигателя напрямую, но позволяет уменьшить расход энергии на работу сопутствующих устройств.

·         Введение системы впрыска с регулируемой подачей воды позволяет сократить расход топлива.

·         Снизить механические потери двигателя поможет использование менее вязкого смазочного материала.

Комплексное применение способов повышения эффективности двигателя может увеличить его КПД на 30-35%, то есть, в два раза и даже больше.

Кпд дизельного двигателя

Дизельный мотор и бензиновый: сравнение КПД

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

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

Почему КПД дизеля выше

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

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

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

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

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

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

Мощность и крутящий момент

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

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

Энергетическая ценность солярки и бензина

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

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

Итоги

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

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

Какой КПД дизельного двигателя? Дизельный и бензиновый двигатель

КПД дизельного двигателя представляет собой отношение мощности, которая подается на коленчатый вал, к мощности, получаемой поршнем благодаря давлению газов, образующихся при воспламенении используемого топлива.

То есть эта величина является той энергией, которая преобразовывается из тепловой или термической энергии в механическую величину.

Бензиновые двигатели обладают принудительным зажиганием воздушно-топливной смеси искрой свечи.

Типы систем питания

Карбюраторный вариант предполагает смешивание воздуха и бензина во впускном трубопроводе карбюратора. В последнее время выпуск таких вариантов двигателей существенно снижается из-за несущественной экономичности подобных двигателей, их несоответствия экологическим нормам современности.

В вариантах впрысковых двигателей подача топлива происходит с помощью одного инжектора (форсунки) в центральный трубопровод.

В случае распределительного впрыска топливо попадает внутрь двигателя несколькими инжекторами. В таком случае увеличивается максимальная мощность, что существенно увеличивает КПД дизельного двигателя.

При этом снижаются расходы бензина и токсичность обработанных газов за счет фиксированной дозировки топлива электронными системами управления автомобильным двигателем.

Рассуждая над тем, каков КПД современного дизельного двигателя, необходимо знать о системе впрыска бензиновой смеси в камеру хранения. Если подача топлива осуществляется порциями, это гарантирует работу двигателя на обедненных смесях, что помогает снижать расход топлива, уменьшать выброс в атмосферу вредных газов.

Особенности дизельных двигателей

КПД бензинового и дизельного двигателя существенно отличаются между собой. Дизели являются теми двигателями, в которых после сжатия нагретая топливно-воздушная смесь воспламеняется. Они намного экономичнее бензиновых аналогов из-за большей степени сжатия, способствующей полному сгоранию воздушно-топливной смеси.

Достоинства дизелей

КПД дизельного двигателя можно увеличить при создании сопротивления движения воздуха из-за отсутствия дроссельной заслонки, но это приводит к повышению расхода топлива.

Наибольший крутящий момент развивают дизели на небольшой частоте вращения коленчатого вала.

Устаревшие конструкции дизельных двигателей от бензиновых аналогов отличаются определенными недостатками:

• большим весом и ценой при равной мощности;
• повышенным шумом, создаваемым при сгорании топлива в цилиндрах;
• меньшими оборотами коленчатого вала, повышенными инерциальными нагрузками.

Принцип деятельности

КПД современного дизельного двигателя определяется отношением полезной работы, совершаемой двигателем, к полной работе. Почти у всех автомобильных двигателей предполагается четыре такта:

• впуск топливно-воздушной смеси;
• сжатие;
• рабочий ход;
• выпуск отработанных газов.

Эффективность дизельного двигателя

КПД дизельного двигателя в процентах составляет порядка 35-40 процентов. Учитывая, что для бензинового агрегата показатель составляет до 25 %, дизель явно лидирует.

Если воспользоваться турбонаддувом, вполне модно увеличить КПД дизельного двигателя до 53 процентов.

Несмотря на сходство типа работы, дизель справляется с поставленной перед ним задачей намного качественнее и результативнее. Так как у него меньшее сжатие, воспламенение топлива происходит по другому принципу. Он будет меньше нагреваться, в результате чего на охлаждении происходит неплохая экономия. В дизеле нет свечей и катушек зажигания, следовательно, нет необходимости тратить дополнительную энергию генератора.

Для повышения эффективности работы бензинового двигателя добавляют пару выпускных и впускных клапанов, а на каждую свечу устанавливают отдельную катушку зажигания. Для управления дроссельной заслонкой используется электрический привод.

Эффективность топлива

Расчет КПД дизельного двигателя позволяет определить целесообразность его применения.

Дизель считается одним из вариантов двигателя внутреннего сгорания, для которого характерно после сжатия воспламенение рабочей смеси.

Для того чтобы выявить суть функционирования бензинового двигателя, и то, какой КПД дизельного двигателя, проводят математические расчеты.

Потери КПД

Сгорает не все топливо, некоторая его часть теряется вместе с выхлопными газами (теряется до 25 процентов КПД). В процессе функционирования двигатель тратит часть энергии на корпус, радиаторы, жидкость. Это приводит к дополнительной потере КПД. На все места, где существует трение: кольца, шатуны, поршни, потребляется дополнительная энергия, что негативно отражается на коэффициенте полезного действия.

Вариант определения

В технической документации можно найти информацию о мощности двигателя внутреннего сгорания. После заливки в него топлива и работы на максимальных оборотах в течение нескольких минут остатки топлива сливают. Вычтя из начального объема конечный результат, вооружившись плотностью, можно посчитать массу топливной смеси.

В настоящее время максимальной эффективностью обладает электрический силовой агрегат. Его КПД может достигать 95%, что является превосходным результатом. Если первые моторы при объеме двигателя 1,6 литра развивали не больше 70 лошадиных сил, то в наши дни этот показатель доходит до 150 лошадиных сил.

КПД – величина отношения мощности, подаваемой на коленчатый вал двигателя, к величине, получаемой от сгорания газовой смеси поршнем. В зависимости от того, какое топливо используется для работы автомобильного двигателя, КПД может варьироваться в диапазоне от 20 до 85 процентов. Безусловно, производители топливных систем ищут способы их улучшения, позволяющие существенно увеличить итоговую величину двигателя внутреннего сгорания.

Для снижения механических потерь от нагрузки генератора, трения в настоящее время в промышленности используют смазки. Но, несмотря на подобные достижения, полностью справиться с силой трения пока еще не удалось никому.

Даже после усовершенствований бензинового двигателя удалось добиться изменения у него коэффициента полезного действия до 20 процентов, только в некоторых случаях удается повышать КПД до 25 %.

Более высокий показатель коэффициента полезного действия свидетельствует о топливной эффективности. К примеру, при объеме дизельного двигателя 1,6 литра в городском цикле расход топлива составляет не более 5 литров. У бензинового аналога эта величина достигает 12 л. Сам дизельный агрегат гораздо легче и компактнее, к тому же считается более экологичным вариантом, чем бензиновый двигатель.

Эти положительные технические характеристики гарантируют дизелям более продолжительный эксплуатационный срок службы.

Заключение

Помимо многочисленных плюсов, есть у него и несколько недостатков, о которых также следует упомянуть. КПД двигателя внутреннего сгорания гораздо меньше 100 процентов, к тому же агрегат не выдерживает резкого понижения температуры воздуха.

Коэффициент полезного действия представляет собой величину, которая в процентном соотношении демонстрирует результативность функционирования механизма относительно преобразования тепловой энергии в полезную работу. ДВС осуществляет подобную деятельность, осуществляя преобразование тепловой энергии. Высвобождается она в результате сгорания в цилиндрах топливной смеси. КПД дизельного мотора является фактически совершенной механической работой, состоящей из отношения энергии, полученной от сгорания топлива, и мощности, отдаваемой установкой на коленчатом валу двигателя.

Эффективность работы современного дизельного агрегата определяется множеством различных факторов. В первую очередь, необходимо отметить тепловые и механические потери, возникающие в ходе работы двигателя такого типа. Кроме того, свою долю вносит в разнообразные потери и сила трения, которая появляется при тесном соприкосновении этих многочисленных деталей.

Основная часть расходуемой полезной энергии приходится на приведение в движение поршня, вращение внутри мотора различных деталей. Более 60 процентов сгорающего топлива требуется для обеспечения работы всех узлов автомобильного двигателя. При дополнительных потерях появляются существенные проблемы с дееспособностью навесного оборудования, разнообразных систем, механизмов.

Благодаря модернизации системы впрыска удалось внести позитивные изменения в значение коэффициента полезного действия, минимизировать потери.

Дизельный мотор и бензиновый: сравнение КПД

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

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

Рекомендуем также прочитать статью о том, какой моторесурс имеет дизельный двигатель по сравнению с бензиновым. Из этой статьи вы узнаете об основных факторах, влияющих на ресурс ДВС до первого капитального ремонта.

Почему КПД дизеля выше

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

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

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

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

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

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

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

Рекомендуем также прочитать статью о том, как увеличить мощность дизельного двигателя при помощи чип-тюнинга. Из этой статьи вы узнаете о том, что такое прошивка ЭБУ двигателя и какие результаты достигаются путем изменения штатных параметров контроллера.

Мощность и крутящий момент

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

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

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

Энергетическая ценность солярки и бензина

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

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

КПД двигателя: бензиновый, дизельный

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

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

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

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

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

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

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

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

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

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

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

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

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

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

Мощность и крутящий момент

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

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

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

Энергетическая ценность солярки и бензина

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

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

Подробнее о потерях

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

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

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

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

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

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

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя

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

КПД парового двигателя

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

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

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

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

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

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

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

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

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

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

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

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

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

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

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

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

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

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

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

От чего зависит КПД дизельного двигателя

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

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

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

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

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

КПД реактивного двигателя

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

Резюме

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

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

Линейный двигатель внутреннего сгорания с высоким кпд

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка является частично продолжающей заявкой патентной заявки США №13/298206, поданной 16 ноября 2011, которая является частично продолжающей заявкой патентной заявки США №13/102916, поданной 6 мая 2011, которая является частично продолжающей заявкой патентных заявок США №12/953277 и №12/953270, поданных 23 ноября 2010, содержание которых в полном объеме включено в настоящее описание посредством ссылки.

Область техники изобретения

[0001] Настоящее изобретение относится к линейным двигателям внутреннего сгорания с высоким КПД и, в частности, некоторые варианты осуществления изобретения относятся к линейным двигателям внутреннего сгорания с высоким КПД, в которых обеспечивается достижение высоких степеней сжатия/расширения при использовании конструкции свободнопоршневого двигателя в сочетании с линейной электромагнитной машиной для обеспечения работы по выпуску газов и инновационной концепции управления процессом сгорания.

Описание известного уровня техники

[0002] За последние 30 лет показатели удельной мощности и эмиссии двигателя внутреннего сгорания улучшились; но общий КПД остался относительно неизменным. Специалистам в области двигателей внутреннего сгорания хорошо известен тот факт, что увеличение геометрической степени сжатия двигателя ведет к увеличению теоретического предела КПД двигателя. Кроме того, увеличение геометрической степени расширения двигателя настолько, что она превышает его степень сжатия, ведет к еще большему увеличению теоретического предела его КПД. Для краткости «геометрическая степень сжатия» и «геометрическая степень расширения» упоминаются соответственно как «степень сжатия» и «степень расширения».

На фиг.1 (известный уровень техники) показаны ограничения по теоретическому КПД двух циклов, обычно используемых в двигателях внутреннего сгорания — Отто и Аткинсона. В частности, на фиг.1 сопоставляются идеальные КПД циклов Отто и Аткинсона в функции степени сжатия. Модельные допущения включают: (i) давление в нижней мертвой точке («BDC») равно одной атмосфере; и (ii) стехиометрическое соотношение предварительно смешанных идеального газа метана и воздуха, включая переменные свойства, диссоциированные продукты и равновесие во время расширения.

Как показано на фиг.1, с увеличением степени сжатия наблюдается значительное увеличение теоретических пределов КПД для обоих циклов. Идеальный цикл Отто разбит на три ступени: 1) изоэнтропическое сжатие, 2) адиабатическое сгорание при постоянном объеме и 3) изоэнтропическое расширение до первоначального объема в BDC. Степень расширения для цикла Отто равна его степени сжатия. Идеальный цикл Аткинсона тоже разбит на три ступени: 1) изоэнтропическое сжатие 2) адиабатическое сгорание при постоянном объеме и 3) изоэнтропическое расширение до первоначального давления в BDC (в этом примере равно одной атмосфере). Степень расширения для цикла Аткинсона всегда больше, чем его степень сжатия, как показано на фиг.1. Несмотря на то, что цикл Аткинсона имеет больший теоретический предел КПД, чем цикл Отто для определенной степени сжатия, он имеет значительно более низкую плотность энергии (мощность на единицу массы). На практике выбирается компромиссный вариант между КПД и плотностью энергии.

В имеющихся в настоящее время на рынке удачно спроектированных/сконструированных двигателях внутреннего сгорания, как правило, достигаются тормозные КПД, составляющие 70-80% теоретических пределов их КПД. На фиг.2 (известный уровень техники) показаны КПД нескольких коммерчески доступных двигателей внутреннего сгорания. Фиг.2, в частности, сопоставляется предел КПД идеального цикла Отто с КПД нескольких коммерчески доступных двигателей внутреннего сгорания, имеющихся в настоящее время на рынке. Модельные допущения включают стехиометрическое соотношение предварительно смешанных идеального газа пропана и воздуха, в том числе переменные свойства, диссоциированные продукты и равновесное состояние во время расширения. Действительная степень сжатия определяется как отношение плотности газа в верхней мертвой точке («TDC») к плотности газа в BDC. Действительная степень сжатия предоставляет средство сравнения двигателей с форсированием с безнаддувными двигателями при равных условиях. Для того чтобы аналогично удачно спроектированный двигатель имел тормозной КПД свыше 50% (то есть, по меньшей мере, 70% его теоретического КПД), двигатель, работающий согласно циклу Отто, должен иметь степень сжатия, превышающую 102, и двигатель, работающий согласно циклу Аткинсона, должен иметь степень сжатия свыше 14, что соответствует степени расширения, равной 54, как видно из фигуры 1.

В традиционных поршневых возвратно-поступательных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом («традиционные двигатели») трудно достичь высоких степеней сжатия/расширения (свыше 30) из-за присущей таким двигателям структуры. На фиг.3 (известный уровень техники) приведен схематический чертеж, поясняющий конструкцию традиционных двигателей и проблемы, препятствующие достижению в них высоких степеней сжатии. В типичных двигателях внутреннего сгорания («ДВС») отношение диаметра цилиндра к ходу поршня колеблется в пределах 0,5-1,2 и степень сжатия колеблется в пределах 8-24. (Heywood, J. (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill). По мере увеличения степени сжатия двигателя при сохранении того же отношения диаметра цилиндра к ходу поршня увеличивается отношение площади поверхности к объему в верхней мертвой точке (TDC), повышается температура и повышается давление. Это имеет следующие три главных последствия: 1) увеличивается теплоотдача от камеры сгорания, 2) становится затруднительной синхронизация по фазе в камере сгорания, и 3) возрастают трение и механические потери. Теплоотдача увеличивается из-за того, что доля теплового граничного слоя в общем объеме становится больше (то есть формат в TDC уменьшается). Формат определяется как отношение диаметра цилиндра к длине камеры сгорания. Синхронизация по фазе процесса горения и достижение полного сгорания затруднены вследствие малого объема, реализованного в TDC. Повышенное давление камеры сгорания непосредственно преобразуется в увеличенные силы. Эти большие силы могут вызвать перегрузку, как механических связей, так и поршневых колец.

Несмотря на то, что свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания не являются новыми, их, как правило, не использовали или не разрабатывали в расчете на получение степеней сжатия/расширения свыше 30:1, за исключением работы, выполнявшейся в Национальной лаборатории Сэндиа (см. патент США №6199519). Существует большое количество литературы и патентов по свободнопоршневым двигателям. Однако литература ориентирована на свободнопоршневые двигатели, имеющие малую длину хода, в связи с чем для них характерны проблемы, аналогичные имеющим место в поршневых возвратно-поступательных двигателях при приближении к области высоких степеней сжатия/расширения, а именно проблемы, связанные с управлением процессом горения и большими потерями от теплопередачи. Конструкции свободнопоршневых двигателей можно разделить на три категории, а именно: 1) с двумя оппозитными поршнями и одной камерой сгорания, 2) с одним поршнем и двумя камерами сгорания и 3) с одним поршнем и одной камерой сгорания. На фиг.4 (известный уровень техники) представлена диаграмма, демонстрирующая три общеизвестные конструкции свободнопоршневого двигателя. Конструкции свободнопоршневого двигателя с одним поршнем и двумя камерами имеют ограничение по степени сжатия вследствие неуравновешенности больших сил, возникающих при высоких степенях сжатия, которые могут вызывать механическую неустойчивость.

Как упомянуто выше, в научно-технической литературе и патентной документации на момент создания изобретения предлагается несколько вариантов свободнопоршневых двигателей. Из многочисленных предлагавшихся конструкций свободнопоршневых двигателей практическое применение нашли лишь несколько (насколько известно авторам данного изобретения). В научно-исследовательской работе Микалсена и Роскилли описываются свободнопоршневые двигатели в Университете Западной Вирджинии, Национальной лаборатории Сандиа и Королевского технологического института в Швеции. Mikalsen R., Roskilly А.Р. A review of free-piston engine history and applications. Applied Thermal Engineering, 2007; 27:2339-2352. Имеются сведения о научно-исследовательских работах, которые проводятся в Чешском техническом университете (http://www.lceproject.org/en/), фирмой INNAS BV в Нидерландах (http://www.innas.com/) и фирмой Pempek Systems в Австралии (http://www.freepistonpower.com/). Все известные нашедшие практическое применение свободнопоршневые двигатели имеют малую длину хода и поэтому имеют аналогичные нежелательные последствия при приближении к области высоких степеней сжатия/расширения, а именно к проблемам с управлением процессом горения и большим потерям на теплопередачу. Кроме того, все двигатели, за исключением опытного образца в Национальной лаборатории Сандиа (Aichlmayr, Н.Т., Van Blarigan, P. Modeling and Experimental Characterization of a Permanent Magnet Linear Alternator for Free-Piston Engine Applications ASME Energy Sustainability Conference San Francisco CA, July 19-23 2009) и опытного образца, разработанного ОРОС (международная патентная заявка WO 03/07883), имеют конструкции с одним поршнем и двумя камерами сгорания и поэтому имеют ограничение в отношении степени сжатия в связи с тем, что большие усилия, возникающие при высоких степенях сжатия, не уравновешены, что вызывает потерю механической устойчивости.

Принимая во внимание ограничения, свойственные конструкциям традиционных двигателей, описанные выше, некоторые изготовители предприняли попытки, и продолжают предпринимать попытки, повысить КПД двигателя путем перехода к высокоэффективным степеням сжатия за счет использования турбокомпрессоров или компрессоров наддува. Форсирование двигателя посредством турбокомпрессоров или компрессоров наддува обеспечивает достижение высокоэффективной степени сжатия при сохранении той же геометрической степени сжатия. Форсирование двигателя не устраняет нежелательные последствия, обусловленные превышением нормальных значений сил, которое имеет место в TDC или вблизи нее. По этой причине под действием таких сил может возникать перегрузка как механических связей внутри двигателя (поршневого пальца, штока поршня, и коленчатого вала), приводящая к механической неисправности, так и компрессионных поршневых колец, приводящая к повышенному трению, износу или неисправности. Форсирование двигателя также ведет, как правило, к увеличению потерь на теплопередачу вследствие недостаточного уменьшения времени нахождения в TDC или ее окрестности (то есть при самых высоких температурах), что обусловливает превышение нормальных температур в TDC или вблизи нее.

Краткое описание вариантов осуществления изобретения

В примерах осуществления настоящего изобретения предлагаются линейные двигатели внутреннего сгорания с высоким КПД. В этих вариантах осуществления устранены недостатки, мешающие достижению в традиционных двигателях высоких степеней сжатия/растяжения, за счет использования свободнопоршневой структуры двигателя в сочетании с линейной электромагнитной машиной для обеспечения работы по удалению газов и инновационной стратегии управления процессом горения. Изобретение, сущность которого здесь раскрыта, обеспечивает повышение теплового КПД двигателей внутреннего сгорания до уровня свыше 50% в диапазоне, подходящем для распределенных источников производства электроэнергии и/или гибридных электромобилей (5 кВт — 5 МВт).

В одном примере осуществления изобретения предлагается линейный двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя: цилиндр, имеющий стенку цилиндра и два конца, причем цилиндр содержит секцию сгорания, расположенную в центральной части цилиндра; два оппозитных поршневых узла, приспособленных для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, причем каждый поршневой узел расположен с одной стороны секции сгорания напротив другого поршневого узла, каждый поршневой узел содержит подпружиненный шток и поршень, включающий сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания, и полую заднюю часть, содержащую пневматическую пружину, непосредственно обеспечивающую, по меньшей мере, часть работы сжатия в течение такта сжатия двигателя; и две электромагнитные машины, приспособленные для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию и приспособленные для непосредственного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла для обеспечения работы сжатия в течение такта сжатия; при этом двигатель имеет переменную степень расширения свыше 50:1.

В другом примере осуществления изобретения предлагается линейный двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя: цилиндр, имеющий стенку цилиндра и секцию сгорания, расположенную на одном конце цилиндра; поршневой узел, приспособленный для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, содержащий подпружиненный шток и поршень, включающий сплошную переднюю часть, примыкающую к секции сгорания, и полую заднюю часть, содержащую пневматическую пружину, непосредственно обеспечивающую, по меньшей мере, часть работы сжатия в течение такта сжатия двигателя; и линейную электромагнитную машину, приспособленную для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла в электрическую энергию и приспособленную для непосредственного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла для обеспечения работы сжатия в течение такта сжатия; при этом двигатель имеет переменную степень сжатия свыше 50:1.

Другие признаки и особенности изобретения очевидны из приведенного ниже подробного описания, которое ведется со ссылками на прилагаемые графические материалы, поясняющие на примере признаки изобретения в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Данное краткое описание не имеет целью ограничение объема изобретения, который определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.

Краткое описание графических материалов

Настоящее изобретение, в соответствии с одним или несколькими различными вариантами его осуществления, подробно описывается со ссылкой на приведенные ниже фигуры графических материалов. Графические материалы приведены исключительно в целях иллюстрации и всего лишь показывают типичные варианты осуществления изобретения. Эти графические материалы служат для облегчения понимания сущности изобретения при прочтении текста описания изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие широту притязаний, объем или область применения изобретения. Следует отметить, что для удобства обзора и простоты выполнения иллюстраций эти графические материалы не требуют соблюдения масштаба.

Фиг.1 (известный уровень техники) — график, поясняющий теоретические пределы КПД для двух циклов, обычно используемых в двигателях внутреннего сгорания.

Фиг.2 (известный уровень техники) — график, сопоставляющий предел КПД идеального цикла Отто и несколько коммерчески доступных двигателей, имеющихся в настоящее время на рынке.

Фиг.3 (известный уровень техники) — схематический чертеж, поясняющий конструкцию традиционных двигателей и проблемы, мешающие достижению в них высоких степеней сжатия.

Фиг.4 (известный уровень техники) — диаграмма, демонстрирующая три обычные конструкции свободнопоршневого двигателя.

Фиг.5 — график, позволяющий сопоставить экспериментальные данные, полученные от опытного образца в Стэнфордском университете, с пределом КПД идеального цикла Отто.

Фиг.6 — вид в разрезе примера выполнения двухпоршневого двухтактного варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания со встроенными пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.7 — чертеж, демонстрирующий двухтактный цикл поршневого узла двухпоршневого двигателя со встроенными пневматическими пружинами по фиг.6.

Фиг.8 — вид в разрезе примера выполнения двухпоршневого четырехтактного двигателя варианта осуществления двигателя внутреннего сгорания со встроенными пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.9 — вид в разрезе четырехтактного цикла поршневого узла двухпоршневого двигателя со встроенными пневматическими пружинами по фиг.8 в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.10 — вид в разрезе альтернативного варианта двухпоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания и полностью встроенными пневматическими пружинами и линейной электрической машиной в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.11 — вид в разрезе альтернативного варианта двухпоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания и отделимыми пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.12 — вид в разрезе однопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с интегрированными пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.13 — схематический чертеж однопоршневого двухтактного двигателя с двухтактным циклом поршневого узла и отделимыми пневматическими пружинами по фиг.12 в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.14 — вид в разрезе однопоршневого четырехтактного двигателя с отделимыми пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.15 — схематический чертеж, демонстрирующий четырехтактный цикл поршневого узла однопоршневого двухтактного двигателя с отделимыми пневматическими пружинами по фиг.14 в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.16 — вид в разрезе другого однопоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания, полностью встроенными пневматическими пружинами и линейной электромагнитной машиной в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.17 — вид в разрезе другого однопоршневого двухтактного двигателя с одной секцией сгорания, отделимыми пневматическими пружинами в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.18 — вид в разрезе однопоршневого двухтактного варианта IIGS-структуры со встроенной внутрь пневматической пружиной в соответствии с примером осуществления изобретения.

Фиг.19 — вид в разрезе примера выполнения пружинного штока в виде пневматической пружины в соответствии с принципами изобретения.

Фиг.20 — вид в разрезе двухпоршневого двухтактного варианта IIGS-двигателя со встроенной внутрь пневматической пружиной в соответствии с примером осуществления изобретения.

Предполагается, что фигуры не являются исчерпывающими или ограничивающими изобретение точным соблюдением раскрытых форм конструктивного исполнения.

Следует понимать, что изобретение может быть осуществлено с изменениями и дополнениями и что изобретение ограничивается только формулой изобретения и его эквивалентами.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются, в общем, линейные двигатели внутреннего сгорания с высоким КПД, обеспечивающие достижение высоких степеней сжатия/расширения за счет использования структуры свободнопоршневого двигателя в сочетании с линейной электромагнитной машиной для обеспечения работы по удалению газов и инновационной концепции управления процессом горения

В Стэнфордском университете создан и введен в действие однотактный однопоршневой опытный образец. Этот опытный образец демонстрирует реализацию концепции и обеспечивает достижение значений КПД индикаторной работы порядка 60%. График, демонстрирующий определенные экспериментальные результаты, показан на фиг.5. В частности, на фиг.5 графические кривые демонстрируют в сравнении экспериментальные данные, полученные от опытного образца, в Стэнфордском университете, и предел КПД для идеального цикла Отто. Модельные допущения следующие: коэффициент избытка топлива 0,3, дизель №2 и воздух, включая изменяемые параметры, диссоциированные продукты и равновесное состояние во время расширения.

В вариантах осуществления предлагается свободнопоршневой линейный двигатель внутреннего сгорания, отличительной особенностью которого является тепловой КПД, превышающий 50%. По меньшей мере в одном примере осуществления изобретения двигатель содержит: (i) по меньшей мере один цилиндр, (ii) по меньшей мере один поршневой узел в расчете на один цилиндр, приспособленный для прямолинейного перемещения внутри цилиндра, (iii) по меньшей мере одну линейную электромагнитную машину, непосредственно преобразующую кинетическую энергию поршневого узла в электрическую энергию, и (iv) по меньшей мере одну пневматическую секцию, обеспечивающую обеспечение, по меньшей мере, части работы сжатия в течение такта сжатия. Кроме того, в некоторых конструкциях двигатель внутреннего сгорания имеет следующие физические характеристики: (i) переменную степень расширения более 50:1, (ii) переменную степень сжатия, которая равна степени расширения или меньше ее, и (iii) длину секции сгорания в TDC в диапазоне 0,2-4 дюйма. Следует отметить, однако, что другие варианты осуществления изобретения могут включать различные комбинации вышеупомянутых признаков и физических характеристик.

На фиг.6 представлен вид в разрезе варианта осуществления двухпоршневого двухтактного двигателя 100 внутреннего сгорания со встроенными пневматическими пружинами. Этот свободнопоршневой двигатель 100 внутреннего сгорания непосредственно преобразует химическую энергию топлива в электрическую энергию посредством двух линейных электромагнитных машин 200. Используемый здесь термин «топливо» обозначает вещество, вступающее в реакцию с окислителем. К таким топливам относятся, в том числе: (i) углеводородные топлива, такие как природный газ, биогаз, бензин, дизельное топливо и биодизельное топливо; (ii) спиртовые топлива, такие как этанол, метанол и бутанол, и (iii) смеси любых из вышеуказанных топлив. Описываемые здесь двигатели пригодны как для стационарных генераторов энергии, так и для передвижных генераторов энергии (например, предназначенных для использования в транспортных средствах).

На фиг.6 представлен один вариант осуществления двухпоршневого двухтактного двигателя 100 со встроенными пневматическими пружинами. В частности, двигатель 100 содержит один цилиндр 105 с двумя оппозитными поршневыми узлами 120, которые сближаются друг с другом в секции 130 сгорания (или камере сгорания) в центре цилиндра 105. Размещение секции 130 сгорания в центре двигателя 100 обеспечивает уравновешивание сил сгорания. Каждый поршневой узел 120 содержит поршень 125, уплотнения 135 поршня и шток 145 поршня. Поршневые узлы 120 имеют возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. Штоки 145 поршней перемещаются вдоль опор и герметизированы газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к цилиндру 105. В показанном примере осуществления изобретения газонепроницаемые уплотнения 150 представляют собой уплотнения штока поршня. В данном контексте термин «опора» подразумевает любую часть машины, по которой другая часть движется, скользит или обеспечивает вращательное движение, включая, в том числе: опоры скольжения, опоры для гибких связей, шариковые опоры, роликовые опоры, пневматические опоры и/или магнитные опоры. Кроме того, термин «окружающая среда» подразумевает область, находящуюся снаружи цилиндра 105, включая, в том числе: непосредственно окружающую внешнюю среду, вспомогательные трубопроводы и/или вспомогательное оборудование.

Снова ссылаясь на фиг.6, следует отметить, что объем между задней стороной поршня 125, штоком 145 поршня и цилиндром 105 называется в данном описании изобретения приводной секцией 160. Приводная секция 160 также может упоминаться в данном описании изобретения как «пневматическая секция», «пневматические пружины» или «секция пневматических пружин». Каждая приводная секция 160 изолирована от окружающей среды и секции 130 сгорания уплотнением 150 штока поршня и уплотнениями 135 поршня. В показанной конструкции газ, заключенный в приводной секции 160, во время цикла действует как маховое колесо (то есть пневматическая пружина), обеспечивая обеспечение, по меньшей мере, части работы сжатия во время такта сжатия. Таким образом, особенностью некоторых вариантов осуществления изобретения является использование пневматических пружин для обеспечения работы. Другие варианты осуществления изобретения предусматривают использование высокоэффективного линейного генератора переменного тока как двигателя и не требуют применения пневматических пружин для обеспечения работы сжатия.

В некоторых вариантах осуществления для получения высоких тепловых КПД двигатель 100 имеет переменную степень расширения более 50:1. В других вариантах осуществления переменная степень расширения превышает 75:1. Еще в одних вариантах осуществления переменная степень расширения больше, чем 100:1. Кроме того, особенностью некоторых вариантов осуществления изобретения является то, что степень сжатия равна степени расширения или меньше ее и длина секции сгорания в TDC заключена в диапазоне 0,2-4 дюйма. В данном описании изобретения выражение «длина секции сгорания в TDC» означает расстояние в TDC между передними сторонами двух поршней 125.

Вышеупомянутые технические условия требуют, чтобы длина хода поршня двигателя 100 была значительно больше, чем в традиционных двигателях, где термин «длина хода поршня» означает расстояние, проходимое каждым поршнем 125 между TDC и BDC. Воспламенение в камере сгорания может обеспечиваться воспламенением от сжатия и/или искровым зажиганием. Топливо может впрыскиваться в камеру 130 сгорания непосредственно через топливные форсунки («прямой впрыск») и/или после смешивания его с воздухом, производимым перед впуском воздуха и/или во время впуска воздуха («впрыскивание с предварительным смешиванием компонентов»). Двигатель 100 может работать со сжиганием обедненной смеси, стехиометрического состава топлива или богатой смеси с использованием жидких и/или газообразных топлив.

Из фиг.6 также видно, что цилиндр 105 содержит каналы 170 выпуска/впрыска, впускные каналы 180, каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа, для обеспечения возможности обмена веществом (твердым веществом, жидкостью газом или плазмой) с окружающей средой. В данном описании изобретения термин «канал» подразумевает любое отверстие или группу отверстий (например, с пористым материалом), которые обеспечивают обмен веществом между внутренним пространством цилиндра 105 и окружающей его средой. В некоторых вариантах осуществления не все из изображенных на фиг.6 каналов нужны. Количество каналов и их тип зависят от конструкции двигателя, концепции впрыска и цикла поршня (например, двух- или четырехтактные циклы поршней). Для данного двухпоршневого двухтактного варианта конструкции согласно изобретению каналы 170 выпуска/впрыска обеспечивают поступления в цилиндр и выхода из него отработавших газов и текучих сред, впускные каналы 180 предназначены для впуска воздуха и/или топливовоздушных смесей, каналы 185 отвода газа предназначены для удаления толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа предназначены для впуска подпиточного газа, предназначенного для приводной секции 160. Местоположение различных каналов не обязательно должно быть фиксированным. Например, в показанном примере осуществления изобретения каналы 170 выпуска/впрыска расположены по существу посередине цилиндра. Однако эти каналы могут быть, в соответствии с другим вариантом, расположены на удалении от середины вблизи впускных каналов 180.

Вышеупомянутые каналы могут или не могут открываться или закрываться посредством клапанов. Термин «клапан» может подразумевать любой приводимый в действие регулятор потока или другой приводимый в действие механизм для избирательного пропускания вещества через отверстие, включая, в том числе: шариковые клапаны, конические клапаны, дроссельные заслонки, воздушные заслонки, обратные клапаны, запорные клапаны, створчатые клапаны, поршневые клапаны, тарельчатые клапаны, поворотные клапаны, золотники, электромагнитные клапаны, двухходовые клапаны или трехходовые клапаны. Клапаны могут приводиться в действие любым средством, включая, в том числе: механическим, электрическим, магнитным, с приводом от кулачкового вала, гидравлическим или пневматическим средством. В большинстве случаев требуются каналы для выпуска, отвода толкающего газа и притока толкающего газа. В тех вариантах осуществления, где желательной концепцией впрыска является непосредственный впрыск, требуются также каналы впрыска и каналы впуска воздуха. В тех вариантах осуществления, где желательной концепцией воспламенения является воспламенение заранее приготовленной смеси от сжатия или искровое зажигание заранее приготовленной смеси, могут также потребоваться каналы впуска воздуха/топлива. В тех вариантах осуществления, где желательной концепцией воспламенения является гибридная концепция впрыска предварительно приготовленной топливовоздушной смеси/непосредственного впрыска топлива с воспламенением от сжатия и/или искровым зажиганием, могут также потребоваться каналы впрыска и каналы впуска воздуха/топлива. Во всех конструкциях двигателей отработавший газ от предыдущего цикла может быть смешан с впускаемыми воздухом или топливовоздушной смесью для протекающего цикла. Этот процесс называется рециркуляцией отработавших газов (EGR) и может использоваться для поддержания в определенных рамках интервалов времени горения и максимальных температур.

Из фиг.6 также видно, что двигатель 100 содержит также две линейные электромагнитные машины (LEM) электромагнитные машины 200 для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневых узлов 120 в электрическую энергию. Каждая LEM 200 способна также преобразовывать электрическую энергию в кинетическую энергию поршневого узла 120 для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. Как видно из фигур, LEM 200 содержит статор 210 и преобразователь 220. При этом преобразователь 220 закреплен к штоку 145 поршня и перемещается прямолинейно внутри статора 210, который является неподвижным. Объем между преобразователем 220 и статором 210 называется воздушным зазором. Возможно любое число вариантов конструктивного исполнения LEM 200. На фиг.6 показан один вариант конструктивного исполнения, в котором преобразователь 220 короче статора 210. Однако преобразователь 220 может быть и длиннее статора 210 или же они могут иметь по существу одинаковую длину. Кроме того, LEM 200 может представлять собой электрическую машину с постоянными магнитами, асинхронную машину, коммутируемую реактивную электрическую машину или какую-либо комбинацию этих трех машин. И статор 210 и преобразователь 220 могут содержать магниты, катушки индуктивности, сердечник или какую-либо их комбинацию. Ввиду того, что LEM 200 осуществляет непосредственное преобразование кинетической энергии поршней в электрическую энергию и наоборот (то есть механические связи отсутствуют), механические потери и потери от трения минимальны в сравнении с традиционными двигатель-генераторными конструкциями.

Устройство согласно изобретению по фиг.6 работает с использованием двухтактного цикла поршня. Схематический чертеж, поясняющий двухтактный цикл 250 поршня двухпоршневого двигателя 100 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.6, представлен на фиг.7. В данном описании изобретения термин «цикл поршня» подразумевает любой ряд перемещений поршня, который начинается и заканчивается при по существу одинаковом расположении поршня 125. Типичным примером может служить четырехтактный цикл поршня, который включает такт впуска, такт сжатия, рабочий ход (такт расширения) и такт выпуска. Как указано в тексте данного описания изобретения, цикл поршня может включать дополнительные чередующиеся такты. Двухтактный цикл поршня отличается тем, что включает рабочий ход (такт расширения) и такт сжатия.

Как видно из фиг.7, двигатель осуществляет выброс продуктов сгорания (через выпускные каналы 170) и впуск воздуха и/или топливовоздушной смеси или смеси воздуха/топлива/продуктов сгорания (через впускные каналы 180) вблизи BDC в промежутке между рабочим ходом и тактом сжатия. Этот процесс может упоминаться в тексте описания изобретения как «впуск и выпуск» или «впуск и выпуск в BDC или вблизи нее». Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что в пределах объема изобретения возможно использование многих других типов конструктивных исполнений системы каналов и впуска и выпуска. При нахождении в BDC или вблизи нее и если приводная секция используется для обеспечения работы сжатия, то давление газа внутри приводной секции 160 выше, чем давление секции 130 сгорания, что побуждает поршни 125 двигаться в направлении внутрь так, что они приближаются друг к другу. Газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, требуемой для выполнения такта сжатия. LEM 200 тоже может вырабатывать часть энергии, требуемой для выполнения такта сжатия.

Количество энергии, требуемое для обеспечения такта сжатия, зависит от требуемой степени сжатия, давления секции 130 сгорания в начале такта сжатия и массы поршневого узла 120. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, в это время скорость поршня 125 равна нулю или близка к нулю. Момент, в который скорости поршней 125 равны нулю, дает отметку положений их TDC для этого цикла. Горение вызывает повышение температуры и давления внутри секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении наружу к LEM 200. Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневого узла 120 преобразуется в электрическую энергию при помощи LEM 200, и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа, находящегося в приводной секции 160. Рабочий ход продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений их BDC для этого цикла.

На фиг.7 показан один вариант схемы расположения каналов для впуска и выпуска, в которой впускные каналы 180 находятся впереди обоих поршней вблизи BDC и выпускные каналы 170 находятся вблизи TDC. Существуют другие возможные варианты расположения каналов, как например, в частности, расположение выпускных каналов 170 впереди одного поршня 125 вблизи BDC и расположение впускных каналов 180 впереди другого поршня 125 вблизи BDC, что обеспечивает так называемую прямоточную продувку или прямоточный впуск и выпуск. Управление открыванием и закрыванием выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 осуществляется независимо. Местоположение выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 может быть выбрано таким образом, чтобы можно было получить ряд степеней сжатия и/или степеней расширения. Те моменты времени в цикле, когда происходит активация (открывание или закрывание) выпускных каналов 170 и впускных каналов 180, могут быть отрегулированы во время циклов и/или в промежутках между циклами для изменения степени сжатия и/или степени расширения или количества продукта сгорания, удерживаемого в секции 130 сгорания в начале такта сжатия. Удержание рабочих газов, образующихся при сгорании топлива, в секции 130 называется задержанием остаточного газа (RGT) и может использоваться для поддержания в определенных рамках интервалов времени горения и максимальных температур.

Во время цикла поршня газ может перемещаться мимо уплотнений 135 между секцией 130 сгорания и приводной секцией 160. Это перемещение газа называется «прорыв газов». Газ, пропускаемый при прорыве газов, может содержать воздух и/или топливо и/или продукты сгорания. Двигатель 100 спроектирован в расчете на преодоление проблемы прорыва газа за счет наличия по меньшей мере двух каналов в каждой приводной секции 160 — одного канала 185 для отвода толкающего газа и другой канал 190 для обеспечения притока толкающего газа. Отвод толкающего газа и впуск подпиточного толкающего газа регулируются независимым образом и происходят таким образом, чтобы свести к минимуму потери и газа получить максимально возможный КПД.

Фиг.7 демонстрирует одну концепцию замены толкающего газа, в которой отвод толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта расширения и впуск приточного толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта сжатия. Отвод и впуск толкающего газа могут также происходить при обратном порядке следования тактов или в течение одного и того же такта. Отведенный толкающий газ может использоваться как часть впуска для секции 130 сгорания в течение протекающего цикла сгорания. Количество газа в приводной секции 160 может регулироваться для изменения степени сжатия и/или степени расширения. Степень расширения определяется как отношение объема секции 130 сгорания, когда поршни 125 имеют нулевую скорость после рабочего такта, к объему секции 130 сгорания, когда поршни 125 имеют нулевую скорость после такта сжатия. Степень сжатия определяется как отношение объема секции 130 сгорания, когда давление внутри секции 130 сгорания начинает повышаться вследствие движения поршней 125 в направлении внутрь, к объему секции 130 сгорания, когда поршни 125 имеют нулевую скорость после такта сжатия.

Оптимальное управление сгоранием достигается за счет понижения (например, охлаждением) температуры газа внутри секции 130 сгорания до начала горения. Регулирование температуры может достигаться путем предварительного охлаждения газа, впускаемого в секцию сгорания, и/или охлаждением внутри секции 130 сгорания во время такта сжатия. Оптимальное сгорание происходит тогда, когда объем секции 130 сгорания становится таким, при котором тепловой КПД максимален. Этот объем называется оптимальным объемом, и он может иметь место до или после TDC. В зависимости от концепции сгорания (концепция воспламенения и впрыска), впускаемым в секцию сгорания газом может быть воздух, топливовоздушная смесь или смесь воздуха/топлива/продуктов сгорания (где продукты сгорания представляют собой продукты сгорания от EGR и/или использованного повторно толкающего газа), и газом, содержащимся внутри секции 130 сгорания, может быть воздух, топливовоздушная смесь или смесь воздуха/топлива/продуктов сгорания (где продукты сгорания представляют собой продукты сгорания от EGR и/или RGT и/или повторно использованного толкающего газа).

Когда желательной концепцией воспламенения является воспламенение от сжатия, оптимальное сгорание достигается путем понижения температуры газа внутри секции 130 сгорания так, что он достигает температуры самовоспламенения при оптимальном объеме. Когда желательной концепцией воспламенения является искровое зажигание, оптимальное сгорание достигается путем понижения температуры газа внутри секции 130 сгорания так, что она остается ниже уровня его температуры самовоспламенения до момента образования искры при оптимальном объеме. Управление искрообразованием осуществляется извне, чтобы ее образование происходило при оптимальном объеме. Газ, впускаемый в секцию сгорания, может быть предварительно охлажденным с помощью цикла охлаждения. Газ, содержащийся внутри секции 130 сгорания, может быть охлажден в период такта сжатия путем впрыска в секцию 130 сгорания жидкости, которая потом испаряется. Жидкостью может быть вода и/или другая жидкость, такая как, в частности, топливо или хладагент. Жидкость может быть охлаждена до момента впрыска в секцию 130 сгорания.

Для данной геометрии двигателя и местоположений выпускных и впускных каналов мощность на выходе двигателя 100 может изменяться от одного цикла к другому путем изменения отношения количества воздуха к количеству топлива и/или количества продуктов сгорания в секции 130 сгорания до начала процесса горения и/или степени сжатия и/или степени расширения. Для данного отношения количества воздуха к количеству топлива в цикле регулирование максимальной температуры горения может осуществляться путем изменения количества продуктов сгорания от предыдущего цикла, которые присутствуют в газе, находящемся в секции сгорания, до начала горения. Продукты сгорания, присутствующие в секции сгорания до начала процесса горения, могут образовываться от EGR и/или RGT и/или из повторно использованного толкающего газа. Синхронизация поршня достигается за счет концепции управления, использующей информацию о положениях поршня, скоростях поршня, состава секции сгорания и давлений цилиндра для настройки рабочих характеристик секций LEM и приводных секций.

Конструкция по фиг.6 и 7 содержит один агрегат, называемый двигателем 100, образованный цилиндром 105, поршневыми узлами 120 и LEM 200. Однако возможна установка в параллель ряда агрегатов, и вместе их можно назвать как «двигатель». Некоторые варианты осуществления изобретения имеют модульное исполнение, что позволяет организовать их работу в параллель для обеспечения возможности пропорционального увеличения размера двигателя так, как это нужно конечному пользователю. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы все агрегаты были одинакового размера или работали в одинаковых условиях (например, частота, стехиометрия или впуск и выпуск). Когда агрегаты работают в параллель, существует возможность объединения двигателей в одно целое, такого, как, в частности, газообмен между агрегатами и/или обратная связь между LEM 200 агрегатов.

Свободнопоршневая структура допускает большие и переменные степени сжатия и расширения при одновременном сохранении достаточно большого объема в TDC, что позволяет свести к минимуму передачу тепла и обеспечить приемлемое сгорание. Кроме того, поршни находятся меньше времени в TDC или вблизи нее, чем это было бы в случае их механической связи с коленчатым валом. Это способствует минимизации передачи тепла (и достижению максимального КПД) вследствие меньшего времени воздействия на них самых высоких температур. Более того, поскольку свободнопоршневая структура не имеет механических связей, механические потери и потери на трение минимальны в сравнении с традиционными двигателями. Большие и переменные степени сжатия и расширения, достаточно большой объем в TDC, непосредственное преобразование кинетической энергии в электрическую энергию при помощи LEM 200, по существу короткое время нахождения в TDC или вблизи нее и возможность управления сгоранием в совокупности обеспечивают достижения в двигателе 100 тепловых КПД свыше 50%.

В число потерь внутри двигателя 100 во время его работы входят: потери при сгорании, потери при теплопередаче, потери при преобразовании электроэнергии, потери при трении и потери при прорыве газов. В некоторых вариантах осуществления изобретения потери при сгорании сведены к минимуму за счет того, сгорание осуществляют при высоких внутренних энергетических состояниях, что обеспечивается за счет наличия возможности достижения высоких степеней сжатия при одновременном понижении температур в секции сгорания. Потери при передаче тепла сводятся к минимуму благодаря тому, что в момент начала горения или близко к этому моменту имеется достаточно большой объем, в результате чего тепловой пограничный слой составляет малую часть объема. Потери при теплопередаче тоже сведены к минимуму за счет того, что при использовании свободнопоршневой конфигурации время пребывания при высокой температуре меньше, чем при использовании конфигурации с кривошипно-шатунным механизмом. Потери на трение сводятся к минимуму благодаря отсутствию механических связей. Потери на прорыв газов сводятся к минимуму за счет того, что есть удачно спроектированные уплотнения поршня и за счет использования толкающего газа, который содержит несгоревшее топливо, как часть впуска для следующего цикла сгорания.

Как упомянуто выше, вариант осуществления, описанный выше со ссылкой на фиг.6 и 7, представляет собой двухпоршневой двухтактный двигатель 100 внутреннего сгорания с одной секцией сгорания. Ниже описаны альтернативные варианты осуществления изобретения, поясняемые соответствующими фигурами. Эти варианты осуществления изобретения не носят ограничительный характер. Специалистам в данной области техники станут очевидны различные модификации и альтернативные варианты конструктивного исполнения и внесения других изменений в пределах объема изобретения. Если не оговорено особо, физические и рабочие характеристики описанных ниже вариантов осуществления аналогичны физическим и рабочим характеристикам, описанным в варианте осуществления по фиг.6 и 7, и схожие элементы обозначены соответственно. Кроме того, конструкции всех вариантов осуществления изобретения могут быть скомпонованы в параллель (то есть в многоагрегатные конструкции с пропорционально и равномерно увеличенными размерами), как указано выше.

На фиг.8 изображен четырехтактный вариант устройства согласно изобретению, представляющий собой двухпоршневой четырехтактный двигатель 300 со встроенными пневматическими пружинами. Основное физическое различие между четырехтактным двигателем 300 по фиг.8 и двухтактным двигателем 100 по фиг.6 состоит в том, что в нем предусмотрено определенное местоположение каналов. В частности, в четырехтактном двигателе 300 выпускные, инжекционные и впускные каналы 370 расположены посередине и/или вблизи середины цилиндра 105 между двумя поршнями 125.

На фиг.9 показан четырехтактный цикл 400 поршня для двухпоршневого двигателя 300 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.8. Отличительной особенностью четырехтактного цикла поршня является наличие рабочего хода (расширения), такта выпуска, такта впуска и такта сжатия. После сгорания начинается рабочий ход, который происходит при оптимальном объеме и продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений BDC их рабочего хода для этого цикла.

Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневых узлов 120 преобразуется в электрическую энергию при помощи LEM 200, и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа в приводной секции 160. При нахождении в BDC или вблизи BDC рабочего хода и если при этом приводная секция должна обеспечивать, по меньшей мере, часть работы сжатия, давление газа в приводной секции 160 выше, чем давление газа в секции 130 сжатия, что вынуждает поршни 125 смещаться в направлении внутрь к середине цилиндра 105. В рассматриваемом примере осуществления изобретения газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, требуемой для обеспечения такта выпуска. В некоторых случаях часть энергии, необходимой для обеспечения такта выпуска, может вырабатывать LEM 200. Каналы 370 выпуска открываются в некоторый момент в BDC или вблизи BDC рабочего такта, который может либо предшествовать началу такту выпуска либо следовать за ним. Такт выпуска продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений BDC их такта выпуска для этого цикла. Закрытие выпускных каналов 370 происходит в некоторый момент до того как поршни 125 займут свои места, соответствующие TDC такта выпуска. Поэтому в секции 130 сгорания остается, по меньшей мере, часть продуктов сгорания. Этот процесс называется задержанием остаточного газа.

Снова обратимся к фиг.9. В TDC или вблизи TDC такта выпуска давление камеры 130 сгорания выше, чем давление приводной секции 160, что вызывает перемещение поршней 125 в направлении наружу. Удерживаемый остаточный газ действует как пневматическая пружина, вырабатывая, по меньшей мере, часть энергии, необходимой для обеспечения такта впуска. Часть энергии, требуемой для обеспечения такта впуска, может также вырабатывать LEM 200. Впускные каналы 370 открываются в некоторый момент во время такта впуска после того как давление внутри секции 130 сгорания становится ниже давления впускаемого газа. Такт впуска продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что дает отметку положений BDC их такта впуска для этого цикла. Положения BDC при такте впуска для данного цикла не обязательно должно быть таким, как положения BDC при рабочем такте. Впускные каналы 370 закрываются в некоторый момент в BDC или вблизи BDC такта впуска. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, а именно до момента времени, когда скорости поршней 125 становятся равными или почти равными нулю. Местоположения поршней 125, в которых их скорости равны нулю, являются отметками положений TDC их хода сжатия для этого цикла. В TDC или вблизи TDC такта сжатия давление газа в приводной секции 160 выше, чем давление газа в секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршней 125 в направлении внутрь. Газ, находящийся в приводной секции 160, используется для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия. Часть энергии, требуемой для обеспечения такта сжатия, может также вырабатываться LEM 200.

Фиг.9 демонстрирует одну концепцию замены толкающего газа, согласно которой удаление толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта расширения и впуск подпиточного толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта сжатия. Как и в двухтактном варианте устройства согласно изобретению, удаление и впуск толкающего газа может также возникать при обратном порядке следования тактов или во время одного и того же такта. Однако ввиду того, что в четырехтактный вариант конструктивного исполнения согласно изобретению имеет отдельный такт выпуска, для обеспечения которого требуется меньше энергии, чем для обеспечения такта сжатия, может потребоваться другой подход к решению вопроса регулирования количества воздуха в приводной секции 160, в зависимости от того, в какой степени LEM 200 используются для выработки и потребления энергии во время четырех тактов.

На фиг.10 изображен второй вариант конструктивного исполнения согласно изобретению двухпоршневого двухтактного двигателя 500 внутреннего сгорания с полностью пневматическими пружинами и встроенными линейными электрическими машинами. Аналогично двигателю 100 по фиг.10, двигатель 500 содержит цилиндр 105, два оппозитных поршневых узла 520 и секцию 130 сгорания, расположенную в центре цилиндра 105. В изображенном устройстве каждый поршней узел 520 содержит два поршня 525, уплотнения 535 поршня и шток 545 поршня. В отличие от предыдущих вариантов осуществления, поршневые узлы 520 и преобразователи 620 полностью расположены внутри цилиндра и LEM 600 (включая статор 610) расположена вокруг наружного периметра цилиндра 105. Поршневые узлы 520 имеют возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. В цилиндре 105 также выполнены каналы 170 выпуска/впрыска, каналы 180 впуска, каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа. В отношении примера устройства согласно изобретению, представленного на фиг.10, следует отметить, что принцип работы этого устройства с использование двух- или четырехтактного цикла поршня может быть таким, как изложено со ссылкой на фиг.7 и 9.

На фиг.11 изображен третий пример выполнения согласно изобретению двухпоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания 700 с одной секцией сгорания и отделимыми пневматическими пружинами. Аналогично двигателю 100 по фиг.6, двигатель 700 содержит главный цилиндр 105, два оппозитных поршневых узла 120 и секцию 130 сгорания, расположенную в центре цилиндра 705. Однако изображенный двигатель 700 имеет некоторые физические отличия по сравнению с двигателем 100. В частности, двигатель 700 содержит два наружных цилиндра 705, содержащих дополнительные поршни 135, и LEM 200 расположены между главным цилиндром 105 и наружными цилиндрами 705. Каждый наружный цилиндр 705 содержит приводную секцию 710, расположенную между поршнем 125 и дальним концом цилиндра 705, и заднюю приводную секцию 720, расположенную между поршнем 125 и ближним концом цилиндра 705. Кроме того, цилиндр 105 содержит две задние секции 730 сгорания, расположенные между поршнями 125 и дальними концами цилиндра 105. Давление в задней приводной секции 720 и задней секции 730 сгорания поддерживается на уровне или почти на уровне атмосферного давления. Задняя приводная секция 720 практически не герметизирована (а именно опора 740 прямолинейного движения не снабжена газонепроницаемым уплотнением), тогда как задняя секция 730 сгорания герметизирована (а именно посредством уплотнения 150), но имеет каналы для удаления газа, пропущенного в результате прорыва газа (а именно канал 750 для удаления пропущенного газа) и для подпиточного газа (а именно канал 760 для подпиточного воздуха). В изображенной конфигурации каждый поршневой узел 120 содержит два поршня 125, уплотнения 135 поршня, и шток 145 поршня. Поршневые узлы 120 могут беспрепятственно перемещаться прямолинейно между главным цилиндром 105 и наружными цилиндрами 705, как видно из фиг.11. Штоки 145 поршней движутся вдоль опор и герметизированы газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к главному цилиндру 105. В цилиндре 105 выполнены также каналы 170 выпуска/впрыска и впускные каналы 180. Однако каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа расположены на двух наружных цилиндрах 705, каждый из которых вмещает один из двух поршней 125 каждого поршневого узла 120. Принцип работы устройства согласно изобретению, изображенного на фиг.11, при использовании двух- или четырехтактного цикла поршня может быть аналогичен изложенному выше при рассмотрении фиг.7 и 9.

На фиг.12 изображен один вариант конструктивного исполнения согласно изобретению однопоршневого двухтактного двигателя 1000 со встроенными пневматическими пружинами. При этом двигатель 1000 содержит вертикально расположенный цилиндр 105 с поршневым узлом 120 таких размеров, что он перемещается внутри цилиндра 105 под действием сил реакции, действующих внутри секции 130 сгорания (или камеры сгорания) вблизи нижнего конца цилиндра 105. Для обеспечения устойчивости и сопротивления удару во время горения на нижнем конце вертикально расположенного цилиндра предусмотрена амортизационная пластина 230. Поршневой узел 120 содержит поршень 125, уплотнения 135 поршня и шток 145 поршня. Поршневой узел 120 может беспрепятственно перемещаться прямолинейно внутри цилиндра 105. Шток 145 поршня движется вдоль опор и герметизирован газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к цилиндру 105. В проиллюстрированном варианте осуществления газонепроницаемые уплотнения 150 представляют собой уплотнения штока поршня.

На фиг.12 объем между обратной стороной поршня 125, штоком 145 поршня и цилиндром 105 называется в данном описании изобретения приводной секцией 160. Приводная секция 160 может также называться в данном описании изобретения «пневматическими пружинами» или «секцией пневматических пружин». Приводная секция 160 изолирована от окружающей среды и секции 130 сгорания уплотнением 150 штока поршня и уплотнениями 135 поршня. В проиллюстрированном варианте осуществления газ, содержащийся в приводной секции 160, во время цикла ведет себя как маховое колесо (а именно как пневматическая пружина), обеспечивая, по меньшей мере, часть работы сжатия во время такта сжатия. Следовательно, особенностью некоторых вариантов осуществления изобретения является использование пневматических пружин для обеспечения работы. Другие варианты осуществления предусматривают использование линейного генератора переменного тока с высоким КПД так, что он выполняет функцию двигателя, и не требуют наличия пневматических пружин для обеспечения работы сжатия.

В некоторых вариантах осуществления для получения высоких тепловых КПД двигатель 1000 имеет переменную степень расширения свыше 50:1. В других вариантах осуществления переменная степень расширения больше, чем 75:1. Еще в одних вариантах осуществления переменная степень расширения больше, чем 100:1. Кроме того, особенностью некоторых вариантов осуществления является то, что степень сжатия равна степени расширения или меньше ее и длина секции сгорания в TDC колеблется в диапазоне 0,1-2 дюйма. В данном описании изобретения выражение «длина секции сгорания в TDC» подразумевает расстояние между головкой секции сгорания и передней стороной поршня 125.

Приведенные выше технические условия предписывают, чтобы длина хода двигателя 1000 была значительно больше, чем в традиционных двигателях, где термин «длина хода» подразумевает расстояние, проходимое поршнем 125 между TDC и BDC. Ход — это расстояние, проходимое поршнем между TDC и BDC. Инициирование процесса горения может достигаться посредством воспламенения от сжатия или искровым зажиганием. Топливо может впрыскиваться в камеру 130 сгорания непосредственно через топливные форсунки («непосредственный впрыск») и/или может быть смешано с воздухом перед впуском воздуха или во время впуска воздуха («впрыск с предварительным смешением компонентов»). Двигатель 1000 может работать при сжигании обедненной смеси, стехиометрическом сжигании топлива или сжигании богатой смеси с использованием жидких и/или газообразных топлив.

Из фиг.12 чертежа также видно, что в цилиндре 105 выполнены каналы 170 выпуска/впрыска, впускные каналы 180, канал 185 отвода толкающего газа и канал 190 притока толкающего газа для обеспечения обмена веществом (твердым веществом, жидкостью, газом или плазмой) с окружающей средой. В данном контексте термин «канал» подразумевает любое отверстие или группу отверстий (например, с пористым материалом), которые обеспечивают обмен веществом между внутренним пространством цилиндра 105 и окружающей его средой. В некоторых вариантах осуществления нужны не все из каналов, показанных на фиг.12. Количество каналов и их типы зависят от конструкции двигателя, концепции впрыска и цикла поршня (например, двух- или четырехтактные циклы поршня). Для данного однопоршневого двухтактного варианта конструкции согласно изобретению каналы 170 выпуска/впрыска обеспечивают поступления в цилиндр и выхода из него отработавших газов и текучих сред, впускные каналы 180 служат для впуска воздуха и/или топливовоздушных смесей, канал 185 отвода толкающего газа служит для удаления толкающего газа, и канал 190 притока толкающего газа служит для впуска толкающего газа, необходимого для приводной секции 160. Местоположение различных каналов не обязательно должно быть фиксированным. Например, в рассматриваемом примере осуществления изобретения, каналы 170 выпуска/впрыска расположены по существу посередине цилиндра. Однако эти каналы могут быть, в соответствии с другим вариантом, расположены на удалении от середины цилиндра рядом с впускными каналами 180.

Снова обратимся к фиг.12, где показано, что двигатель 1000 содержит также линейную электромагнитную машину (LEM) 200, предназначенную для преобразования кинетической энергии поршневого узла 120 в электрическую энергию. LEM 200 также способна непосредственно осуществлять преобразование электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла 120 для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. Как видно, LEM 200 содержит статор 210 и преобразователь 220. В частности, преобразователь 220 закреплен к штоку 145 поршня и перемещается прямолинейно внутри статора 210, который неподвижен. Объем, заключенный между преобразователем 220 и статором 210, называется воздушным зазором. LEM 200 может иметь любое число вариантов конструктивного исполнения. На фиг.6 показан вариант конструктивного исполнения, в котором преобразователь 220 короче, чем статор 210. Однако преобразователь 220 может быть длиннее статора 210 или же они могут быть по существу одинаковой длины. Кроме того, LEM 200 может представлять собой электрическую машину на постоянных магнитах, асинхронную машину, коммутируемую реактивную электрическую машину или какую-либо комбинацию этих трех машин. В состав и статора 210 и преобразователя 220 могут входить магниты, катушки индуктивности, сердечник или какая-либо их комбинация. Ввиду того, что LEM 200 непосредственно осуществляет преобразование кинетической энергии поршней в электрическую энергию и обратное преобразование (то есть механические связи отсутствуют), механические потери и потери на трение минимальны в сравнении с традиционными двигатель-генераторными устройствами.

Устройство согласно изобретению, показанное на фиг.12, работает с использованием двухтактного цикла поршня. На фиг.13 представлен схематический чертеж, демонстрирующий двухтактный цикл 1250 поршня однопоршневого двигателя 1000 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.12. Двигатель осуществляет выброс продуктов сгорания (через выпускные каналы 170) и впуск воздуха или топливовоздушной смеси или смеси топлива/воздуха/продуктов сгорания (через впускные каналы 180) вблизи BDC в промежутке между рабочим ходом и тактом сжатия. Этот процесс может здесь называться «впуском и выпуском» или «впуском и выпуском в BDC или вблизи нее». Специалистам в данной области техники станет очевидным, что возможны многие другие типы конструктивного исполнения системы каналов и впуска-выпуска, не выходящих за пределы объема изобретения. При работе в BDC или вблизи нее и если приводная секция должна использоваться для обеспечения работы сжатия, давление газа внутри приводной секции 160 выше, чем давление секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршней 125 в направлении внутрь так, что они приближаются друг к другу. Газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия. Часть энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия, может также вырабатываться LEM 200.

Количество энергии, необходимое для обеспечения такта сжатия, зависит от требуемой степени сжатия, давления секции 130 сгорания в начале такта сжатия и массы поршневого узла 120. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, что соответствует времени, когда скорость поршня 125 равна или почти равна нулю. Момент равенства нулю скоростей поршней 125 является отметкой положений их TDC для этого цикла. Горение вызывает повышение температуры и давления внутри секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении наружу к LEM 200. Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневого узла 120 преобразуется с помощью LEM 200 в электрическую энергию и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа в приводной секции 160. Рабочий ход продолжается до тех пор, пока скорости поршней 125 не станут равными нулю, что является отметкой положений их BDC для этого цикла.

На фиг.13 представлен одни вариант системы 1300 каналов для впуска и выпуска, в которой впускные каналы 180 расположены впереди поршня вблизи BDC и выпускные каналы 170 расположены вблизи TDC. Управление открыванием и закрыванием выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 осуществляется независимо. Местоположение выпускных каналов 170 и впускных каналов 180 может быть выбрано так, что возможно получение ряда степеней сжатия и/или расширения. Те моменты времени в цикле, когда происходит активация (открывание и закрывание) выпускных каналов 170 и впускных каналов 180, могут подстраиваться во время циклов или в промежутках между циклами в целях изменения степени сжатия и/или степени расширения и/или количества продукта сгорания, удерживаемого в секции 130 сгорания в начале такта сжатия. Удерживание рабочих газов, образующихся при сгорании топлива, в секции 130 сгорания называется задержанием остаточного газа (RGT) и может использоваться для поддержания в определенных пределах интервалов времени горения и максимальных температур.

В течение цикла поршня существует вероятность перепуска газа между секцией 130 сгорания и приводной секцией 160 минуя уплотнения 135 поршня. Этот перепуск газа называется «прорывом газа». Просочившийся газ может содержать воздух и/или топливо и/или продукты сгорания. Двигатель 1000 спроектирован в расчете на устранение проблемы прорыва газа за счет введения двух каналов в приводную секцию 160 — одного канала 185 для удаления толкающего газа и другого канала 190 для обеспечения притока толкающего газа. Управление удалением толкающего газа и впуском подпиточного толкающего газа осуществляется независимо и происходит таким образом, что потери сводятся к минимуму и достигается максимальный КПД.

Фиг.13 демонстрирует принцип замены толкающего газа, предполагающий удаление толкающего газа в некоторый момент во время такта расширения и впуск подпиточного толкающего газа в некоторый момент во время такта сжатия. Удаление и впуск толкающего газа может также происходить при обратном порядке следования тактов или в течение одного и того же такта. Отведенный толкающий газ может использоваться как часть впуска для секции 130 сгорания во время протекающего цикла двигателя внутреннего сгорания. Количество газа в приводной секции 160 может регулироваться с тем, чтобы изменять степень сжатия и/или степень расширения. Степень расширения определяется как отношение объема секции 130 сгорания в то время, когда поршень 125 имеет нулевую скорость после рабочего хода, к объему секции 130 сгорания в то время, когда поршень 125 имеет нулевую скорость после такта сжатия. Степень сжатия определяется как отношение объема секции 130 сгорания в то время, когда давление внутри секции 130 сгорания начинает увеличиваться вследствие движения поршня 125 в направлении внутрь, к объему секции 130 сгорания в то время, когда поршень 125 имеет нулевую скорость после такта сжатия.

Устройство по фиг.12 и 13 состоит из одного агрегата, именуемого как двигатель 1000, образованного цилиндром 105, поршневым узлом 120 и LEM 200. Однако можно установить в параллель ряд агрегатов, которые вместе можно называть «двигателем». Некоторые варианты осуществления изобретения имеют модульное исполнение, что дает возможность компоновать их для работы в параллель для обеспечения возможности пропорционального увеличения размера двигателя так, как это нужно конечному пользователю. Кроме того, нет необходимости в том, чтобы все агрегаты были одинакового размера или работали в одинаковых условиях (например, при одинаковых частоте, стехиометрии или впуске и выпуске). Когда агрегаты работают в параллель, существует возможность объединения двигателей в одно целое, как например, в частности, путем реализации газообмена между агрегатами и/или обратной связи между LEM 200 агрегатов.

Как указано, пример осуществления изобретения, описанный выше со ссылкой на фиг.12 и 13, представляет собой однопоршневой двухтактный двигатель 1000 внутреннего сгорания с одной секцией сгорания. Ниже описано несколько альтернативных вариантов осуществления изобретения, проиллюстрированных соответствующими фигурами чертежей. Эти варианты осуществления изобретения не имеют в виду ограничение объема изобретения. Специалистам в данной области техники станут очевидны различные модификации и другие варианты конструктивного исполнения и внесение других изменений, которые не выходят за пределы объема изобретения. Если не оговорено особо, физические и рабочие характеристики описанных ниже вариантов осуществления изобретения аналогичны физическим и рабочим характеристикам, описанным при рассмотрении примера осуществления изобретения по фиг.12 и 13, и схожие элементы имеют соответствующие обозначения. Кроме того, все варианты осуществления изобретения могут быть скомпонованы в параллель (то есть с образованием многоагрегатных конструкций для пропорционального увеличения размеров), как указано выше.

На фиг.14 представлен четырехтактный вариант устройства согласно изобретению, выполненного в виде однопоршневого четырехтактного двигателя 1400 со встроенными пневматическими пружинами. Главное физическое различие между четырехтактным двигателем 1400 по фиг.14 и двухтактным двигателем 1000 по фиг.12 состоит в местоположении каналов. В частности, в четырехтактном двигателе 1400 каналы 370 выпуска, впрыска и впуска расположены в нижней части или вблизи нижней части цилиндра 105 рядом с амортизационной пластиной 230.

На фиг.15 показан четырехтактный цикл 1500 однопоршневого двигателя 1400 со встроенными пневматическими пружинами по фиг.14. Четырехтактный цикл поршня характеризуется тем, что он имеет рабочий ход (такт расширения), такт выпуска, такт впуска и такт сжатия. Вслед за сгоранием начинается рабочий ход, который происходит при оптимальном объеме и продолжается до тех пор, пока скорость поршня 125 не станет равной нулю, что дает отметку положения BDC рабочего хода для этого цикла.

Во время рабочего хода часть кинетической энергии поршневого узла 120 преобразуется при помощи LEM 200 в электрическую энергию, и другая часть кинетической энергии обеспечивает работу по сжатию газа, находящегося в приводной секции 160. При работе в BDC или вблизи BDC рабочего хода и если при этом приводная секция должна обеспечивать, по меньшей мере, часть работы сжатия, давление газа в приводной секции 160 выше, чем давление газа в секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении внутрь к середине цилиндра 105. В рассматриваемом примере осуществления изобретения газ, находящийся в приводной секции 160, может использоваться для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта выпуска. В некоторых случаях часть энергии, необходимой для обеспечения такта выпуска, может вырабатываться LEM 200. Выпускные каналы 370 открываются в некоторый момент в BDC рабочего хода или вблизи нее, и это может происходить до или после начала такта выпуска. Такт выпуска продолжается до тех пор, пока скорость поршня 125 не станет равной нулю, что дает отметку положения TDC такта выпуска для этого цикла. Выпускные каналы 370 закрываются в некоторый момент до достижения поршнем 125 положения TDC его такта выпуска. Поэтому, по меньшей мере, часть продуктов сгорания остается в секции 130 сгорания. Этот процесс называется задержанием остаточного газа.

В отношении примера осуществления изобретения, представленного на фиг.15, следует добавить, что в TDC или вблизи TDC такта выпуска давление секции 130 сгорания выше, чем давление приводной секции 160, что вызывает движение поршня 125 в направлении вверх. Захваченный остаточный газ действует как пневматическая пружина, вырабатывая, по меньшей мере, часть энергии, необходимой для обеспечения такта впуска. Часть энергии, необходимой для обеспечения такта впуска, может также вырабатываться LEM 200. Впускные каналы 370 открываются в некоторый момент во время такта впуска после понижения давления внутри секции 130 сгорания ниже уровня давления впускаемого газа. Такт впуска продолжается до тех пор, пока скорость поршня 125 не станет равной нулю, что дает отметку положения BDC такта впуска для этого цикла. Положение BDC такта впуска для данного цикла не обязательно должно быть таким, как положение BDC такта впуска рабочего хода. Впускные каналы 370 закрываются в некоторый момент в BDC такта впуска или вблизи нее. Такт сжатия продолжается до тех пор, пока не возникнет горение, которое возникает в то время, когда скорость поршня 125 равна или почти равна нулю. Местоположение поршня 125, в котором его скорость равна нулю, дает отметку положения TDC его такта сжатия для этого цикла. В TDC или вблизи TDC такта сжатия давление газа, находящегося в приводной секции 160, выше, чем давление газа в секции 130 сгорания, что вызывает перемещение поршня 125 в направлении вниз. Газ, находящийся в приводной секции 160, используется для выработки, по меньшей мере, части энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия. Часть энергии, необходимой для обеспечения такта сжатия, может также вырабатываться LEM 200.

Фиг.15 демонстрирует принцип замены толкающего газа, согласно которому удаление толкающего газа происходит в некоторый момент во время такта сжатия. Как и в двухтактном варианте устройства согласно изобретению, удаление и впуск толкающего газа могут происходить при обратном порядке следования тактов или во время одного и того же такта. Однако ввиду того, что четырехтактный вариант устройства согласно изобретению имеет отдельный такт выпуска, который требует меньшей затраты энергии, чем такт сжатия, может потребоваться другой подход к решению вопроса регулирования количества воздуха в приводной секции 160, зависящий от того, в какой степени LEM 200 используется для выработки и потребления энергии в течение четырех тактов.

На фиг.16 изображен второй вариант конструктивного исполнения согласно изобретению однопоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с полностью пневматическим пружинами и встроенной линейной электрической машиной, представленный двигателем 1600 внутреннего сгорания. Двигатель 1600 содержит цилиндр 105, поршневой узел 520 и секцию 130 сгорания. В изображенном устройстве поршневой узел 520 содержит два поршня 525, уплотнения 535 поршня и шток 545 поршня. В отличие от предыдущих вариантов осуществления изобретения, поршневой узел 120 и преобразователь 620 целиком установлены внутри цилиндра и LEM 600 (включая статор 610) расположена вокруг наружного периметра цилиндра 105. Поршневой узел 520 имеет возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. Кроме того, в цилиндре 105 выполнены каналы 170 выпуска/впрыска, впускные каналы 180, каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа. Принцип действия устройства согласно изобретению, изображенного на фиг.16, с использованием двух- или четырехтактного цикла поршня такой же, как описанный выше.

На фиг.17 изображен третий вариант конструктивного исполнения согласно изобретению двухпоршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания с одной секцией сгорания и отделимыми пневматическим пружинами, представленный двигателем 1700 внутреннего сгорания. Аналогично двигателю 1000, двигатель 1700 содержит главный цилиндр 105, поршневой узел 120 и секцию 130 сгорания. Однако изображенный двигатель 1700 имеет определенные физические отличия в сравнении с двигателем 1000. В частности, двигатель 1700 содержит наружные цилиндры 705, вмещающие дополнительный поршень 125, и LEM 200 расположена между главным цилиндром 105 и наружным цилиндром 705. Наружный цилиндр 705 содержит приводную секцию 710, расположенную между поршнем 125 и дальним концом цилиндра 705, и заднюю приводную секцию 720, расположенную между поршнем 135 и ближним концом цилиндра 705. Кроме того, цилиндр 105 содержит заднюю секцию 730 сгорания, расположенную между поршнем 135 и дальним концом цилиндра 105. Давление в приводной секции 720 и секции 730 сгорания поддерживается равным или почти равным атмосферному давлению. Задняя приводная секция 720 по существу не герметизирована (имеется в виду, что опора 740 прямолинейного движения не снабжена никаким газонепроницаемым уплотнением), тогда как задняя секция 730 сгорания герметизирована (при помощи уплотнения 150), но имеет каналы для удаления газа, просочившегося при прорыве газа (а именно канал 750 для отвода просочившегося газа) и для подпиточного газа (а именно канал 760 для подпиточного воздуха). В изображенном устройстве поршневой узел 120 содержит два поршня 125, уплотнения 135 поршня и шток 145 поршня. Поршневой узел 120 имеет возможность свободного прямолинейного перемещения между главным цилиндром 105 и наружным цилиндром 705. Шток 145 поршня движется вдоль опор и герметизирован при помощи газонепроницаемых уплотнений 150, закрепленных к главному цилиндру 105. Кроме того, в цилиндре 105 выполнены каналы 170 выпуска/впрыска и впускные каналы 180. Однако каналы 185 отвода толкающего газа и каналы 190 притока толкающего газа расположены на наружном цилиндре 705, вмещающем один из двух поршней 125 поршневого узла 120. Принцип действия этого устройства согласно изобретению с использованием двух- или четырехтактного цикла поршня такой же, как описанный выше.

Описанные выше варианты осуществления изобретения представляют собой однопоршневые и двухпоршневые устройства, включающие в себя: (i) встроенную пневматическую пружину и отделимую линейную электрическую машину (фиг.6-9 и 12-15), (ii) полностью встроенные пневматическую пружину и линейную электрическую машину (фиг.10 и 16), и (iii) отделимые пневматическую пружину и линейную электрическую машину (фиг.11 и 17). Фиг.18-20 поясняют другие варианты осуществления изобретения, особенностью которых является наличие встроенных внутрь пневматических пружин, в которых пневматическая пружина встроена внутрь поршня и линейная электрическая машина (LEM) выполнена отдельно от цилиндра камеры сгорания. В таблицу 1 сведены ключевые различия между четырьмя структурами, рассмотренными в данном описании изобретения, в том числе:

Встроенная внутрь пневматическая пружина

Как видно из фиг.18-20 и сведено в таблицу 1, конструкция со встроенной внутрь пневматической пружиной (IIGS) аналогична по длине структуре со встроенной пневматической пружиной и выполненной отдельно от нее LEM, изображенной на фиг.6-9 и 12-15. Однако конструкция IIGS устраняет проблемы, связанные с перепуском газов из секции сгорания в пневматическую пружину, который имеет также место в конструкции с полностью встроенными пневматической пружиной и LEM.

На фиг.18 представлен вид в разрезе однопоршневого двухтактного варианта IIGS конструкцией в соответствии с примером осуществления изобретения. Многие компоненты, как например секция 130 сгорания, аналогичны компонентам предыдущих вариантов осуществления изобретения (например, по фиг.12) и имеют соответствующие обозначения. Двигатель 1800 содержит вертикально расположенный цилиндр 105 с поршневым узлом 1820 таких размеров, что он может перемещаться внутри цилиндра 105 под действием сил реакции, действующих внутри секции 130 сгорания вблизи нижнего конца цилиндра 105. Для обеспечения устойчивости и сопротивления удару во время процесса горения на нижнем конце вертикально расположенного цилиндра может быть предусмотрено наличие амортизационной пластины. Поршневой узел 1820 содержит поршень 1830, уплотнения 1835 поршня и пружинный шток 1845. Поршневой узел 1820 имеет возможность свободного прямолинейного перемещения внутри цилиндра 105. Шток 1845 поршня движется вдоль опор и герметизирован газонепроницаемыми уплотнениями 150, закрепленными к цилиндру 105. В проиллюстрированном варианте осуществления газонепроницаемые уплотнения 150 представляют собой уплотнения штока поршня. В цилиндре 105 выполнены каналы 1870, 1880 выпуска/впрыска, предназначенные для впуска воздуха, топлива, отработавших газов, топливовоздушных смесей и/или смесей воздух/отработавшие газы/топливо, выпуска продуктов сгорания и/или инжекторы. В некоторых вариантах осуществления нужны не все из показанных на фиг.18 каналов. Количество каналов и их типы зависят от конструкции двигателя, концепции впрыска и цикла поршня (например, двух- или четырехтактные циклы).

В рассматриваемом примере осуществления изобретения двигатель 1800 содержит также LEM 1850 (включая статор 210 и магниты 1825), предназначенную для непосредственного преобразования кинетической энергии поршневого узла 1820 в электрическую энергию. LEM 1850 может также осуществлять непосредственное преобразование электрической энергии в кинетическую энергию поршневого узла 1820 для обеспечения работы сжатия во время такта сжатия. LEM 1850 может представлять собой электрическую машину с постоянными магнитами, асинхронную электрическую машину, коммутируемую реактивную электрическую машину или какую-либо комбинацию этих трех машин. В состав статора 210 могут входить магниты, катушки индуктивности, сердечник или какая-либо комбинация этих элементов. Ввиду того, что LEM 1850 осуществляет непосредственное преобразование кинетической энергии поршней в электрическую энергию и наоборот (то есть отсутствуют механические связи), механические потери и потери на трении минимальны в сравнении с традиционными двигатель-генераторными конструкциями.

Из фиг.18 также видно, что поршень 1830 содержит сплошную переднюю часть (сторона камеры сгорания) и полую заднюю часть (сторона пневматической пружины). Зона внутри полой части поршня 1830 между лицевой (передней) стороной поршня и пружинным штоком 1845 вмещает газ, выполняющий функцию пневматической пружины 160, которая обеспечивает, по меньшей мере, часть работы, необходимой для обеспечения такта сжатия. Поршень 1830 движется прямолинейно внутри секции 130 сгорания и статора 210 LEM 1850. Направляющими для движения поршня служат опоры 1860, 1865, которыми могут быть твердотельные опоры, гидравлические опоры и/или воздушные опоры. В рассматриваемом примере осуществления изобретения двигатель 1800 содержит как наружные опоры 1860, так и внутренние опоры 1865. В частности, наружные опоры 1860 расположены между секцией 130 сгорания и LEM 1850, и внутренние опоры 1865 расположены на внутренней стороне полой части поршня 1830. Наружные опоры 1860 зафиксированы с внешней стороны и не перемещаются вместе с поршнем 1830. Внутренние опоры 1865 прикреплены к поршню 1830 и движутся вместе с поршнем 1830 относительно пружинного штока 1845.

Из фиг.18 также видно, что пружинный шток 1845 образует одну наружную поверхность для пневматической пружины 160 и зафиксирован с наружной стороны. Пружинный шток 1845 имеет, по меньшей мере, одно уплотнение 1885, расположенное на его конце или вблизи его конца, которое служит в целях удержания газа внутри пневматической пружинной секции 160. Магниты 1825 прикреплены к задней стороне поршня 1830 и перемещаются прямолинейно вместе с поршнем 1830 внутри статора 210 LEM 1850. Поршень 1830 имеет уплотнения 1835 для удерживания газов в соответствующих частях устройства. Изображенный вариант осуществления содержит (i) передние уплотнения, прикрепленные к поршню 1830 на его переднем конце или вблизи него, препятствующие перепуску газов из секции 130 сгорания, и (ii) задние уплотнения, прикрепленные к цилиндру 105 и препятствующие поступлению в окружающую среду впускаемых газов и/или газов, просочившихся при прорыве газов.

На фиг.19 представлен вид в разрезе узла 1900 пружинного штока 1845 в виде пневматической пружины в соответствии с принципами изобретения. В частности, пружинный шток 1845 заключает в себе центральный просвет 1910, обеспечивающий перенос массы между пневматической пружинной секцией 160 и коллекторной зоной 1920, сообщающейся с окружающей средой. Связь с окружающей средой контролируется посредством клапана 1930. Величина массы в пневматической пружине 1845 регулируется для регулирования давления внутри пневматической пружины 1845 таким образом, чтобы обеспечить использование достаточной работы сжатия для следующего цикла поршня.

На фиг.20 представлен вид в разрезе двухпоршневого двухтактного варианта двигателя 2000 со встроенной внутрь пневматической пружиной (IIGS) в соответствии с примером осуществления изобретения. Многие элементы двухпоршневого варианта осуществления аналогичны элементам однопоршневого варианта осуществления по фиг.18, и схожие элементы имеют соответствующие обозначения. Кроме того, рабочие характеристики одно- и двухпоршневого вариантов конструктивного исполнения согласно изобретению аналогичны описанным в предыдущих вариантах осуществления, включая все особенности линейного генератора переменного тока, впуска и выпуска, концепции сжигания и т.д.

Следует понимать, что описанные выше различные варианты осуществления настоящего изобретения служат исключительно для пояснения изобретения на примерах его осуществления, но не ограничивают объем изобретения. Аналогично этому, различные приведенные схематические чертежи могут показывать пример структурного или другого конструктивного построения устройства, предлагаемого согласно изобретению, чтобы помочь понять признаки и функциональные возможности, которые могут быть заключены в изобретении. Изобретение не ограничивается показанными на фигурах чертежей примерами структурного или схемотехнического построения, во всяком случае, требуемые признаки могут быть реализованы с использованием целого ряда альтернативных структурных и схемотехнических конструктивных решений. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть, без сомнения, понятно, как можно практически осуществить альтернативные функциональное, логическое или физическое структурное разбиение и конструктивные схемные решения для реализации необходимых признаков настоящего изобретения. К тому же, различным составляющим элементам могут быть присвоено много других названий различных составляющих модулей, отличающихся от тех, которые приведены в данном описании изобретения. Кроме того, в отношении заявленных последовательностей операций, описаний работы и способов следует отметить, что соблюдение порядка следования этапов, представленного в данном описании изобретения, не является обязательным для реализации в различных вариантах изобретения перечисленных функциональных возможностей, если в контексте не оговорено особо.

Хотя изобретение описано выше на различных примерных вариантов осуществления, следует понимать, что различные признаки, особенности и функциональные возможности, описанные в одном или нескольких отдельных вариантах осуществления, не ограничиваются возможностью их применения к конкретному примеру осуществления, в связи с которым они описаны, напротив, они могут быть применены, самостоятельно или в различных комбинациях, к одному или нескольким другим вариантам осуществления изобретения, независимо от того, описаны или нет такие варианты осуществления изобретения, и независимо от того, представлены такие признаки или же не представлены как составляющая часть описанного примера осуществления изобретения. Таким образом, объем притязаний настоящего изобретения не ограничивается никаким из вышеописанных вариантов осуществления изобретения.

Технические термины и выражения, используемые в данном документе, и их варианты должны рассматриваться как допускающие изменения, а не как носящие ограничительный характер. Примеры вышесказанного: термин «содержащий» подразумевает «содержащий без ограничения» или что-либо подобное; термин «пример» используется для показа примеров предмета рассмотрения, а не для представления исчерпывающего или ограничивающего перечня для этого примера; слова в единственном числе следует должны быть прочитаны как означающие «по меньшей мере один», «один или несколько» и т.п.; и имена прилагательные, такие как «общепринятый», «традиционный», «нормальный», «стандартный», «известный» и термины, имеющие аналогичное значение, не следует рассматривать как ограничивающие описываемую позицию определенным периодом времени или позицией, доступной в данное время, но вместо этого следует рассматривать как охватывающие традиционные, нормальные или стандартные технологии, которые могут быть доступны или известны в настоящее время или в любое время в будущем. Аналогично этому, в тех случаях, где в данном документе в отношении технологий указывается, что они должны быть очевидными или известными специалисту в данной области техники, имеется ввиду, что это те технологии, которые очевидны для специалиста в данной области техники или известны ему в настоящее время или же станут очевидными для него или известными ему в любое время в будущем.

Присутствие расширяющих слов или выражений, таких как «один или несколько» «по меньшей мере», «в частности» или других похожих выражений в отдельных примерах не должно рассматриваться как означающее необходимость присутствия более ограниченного случая в тех примерах, где такие расширяющие выражения могут отсутствовать. Использование термина «модуль» не означает, что все компоненты или функции, описанные или заявленные как часть модуля, выполнены в общем корпусе. Фактически любые или все различные компоненты модуля, то ли логические схемы управления, то ли другие компоненты, могут быть объединены в одном корпусе или могут содержаться отдельно друг от друга и затем могут быть распределены на ряд групп или корпусов или по ряду мест.

Следует добавить, что изложенные здесь различные варианты осуществления изобретения описаны с помощью примерных структурных схем, временных диаграмм и других иллюстраций. После ознакомления с текстом данного документа специалисту в данной области техники должно стать понятно, что средства реализации рассматриваемых вариантов осуществления изобретения и различных их модификаций или вариантов могут быть шире, чем это показано в примерах, приведенных на фигурах чертежей. Например, структурные схемы и прилагаемое к ним описание не следует рассматривать как делающие обязательными конкретную структуру или конкретное конструктивное исполнение.

Бензиновый двигатель Toyota достигает 38-процентного теплового КПД

Большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сожженного топлива в полезную энергию.

Эффективность, с которой они это делают, измеряется термином «тепловой КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД. Дизели обычно дороже — в некоторых случаях приближается к 40 процентам.

Toyota разработала новый бензиновый двигатель, максимальный тепловой КПД которого, по ее утверждению, составляет 38 процентов, что выше, чем у любого другого двигателя внутреннего сгорания, производимого серийно.

Новые агрегаты объемом 1,0 и 1,3 литра должны обеспечить на 10-15 процентов большую экономию, чем их существующие эквиваленты.

Toyota применила к своим двигателям несколько знакомых технологий для достижения такого уровня эффективности.

Один из них — это тот же цикл сгорания, который используется в гибридных моделях фирмы — цикл Аткинсона.

Используемые на 1,3-литровом двигателе, двигатели с циклом Аткинсона обычно имеют регулируемые фазы газораспределения, что позволяет впускным клапанам оставаться открытыми в начале такта сжатия.Более низкая плотность воздуха приводит к более эффективному сжиганию топлива и более высокому тепловому КПД.

Обычно двигателям не хватает мощности по сравнению с обычными двигателями с циклом Отто — в гибридах это компенсируется дополнительной мощностью от электродвигателя.

БОЛЬШЕ: 2015 Toyota Prius: следующий гибрид стремится к расходу 55 миль на галлон, больше места, лучше управляемость

В 1,3-литровом двигателе степень сжатия 13,5 компенсирует некоторую потерю компрессии в течение цикла двигателя — теоретически двигатель должен работать аналогично обычному 1.3-литровый агрегат.

Модернизированные впускные каналы, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция охлаждаемых выхлопных газов также используются для повышения эффективности двигателя.

В 1,0-литровом двигателе, разработанном совместно с японским партнером Toyota Daihatsu, аналогичные двигатели (на этот раз без цикла Аткинсона) обеспечивают 37-процентный тепловой КПД.

Тем не менее, благодаря использованию технологии стоп-старт, новый двигатель на 30 процентов более эффективен, чем эквивалентные 1,0-литровые агрегаты в японском испытательном цикле JC08, ориентированном на город.

Toyota не подтвердила, в каких транспортных средствах будут использоваться новые двигатели и появится ли какая-либо силовая установка в США. Вероятно, несколько автомобилей для японского рынка и выбранные модели, такие как Yaris и Aygo, проданные за рубежом, в конечном итоге получат выгоду от этих единиц.

Что это действительно показывает, так это то, что есть еще много возможностей для улучшения обычных бензиновых двигателей.

Обычные двигатели внутреннего сгорания останутся доминирующими на автомобильном транспорте, по крайней мере, в течение следующих нескольких десятилетий, поэтому любые усилия по их усовершенствованию тем временем заслуживают одобрения.

_________________________________________

Подпишитесь на GreenCarReports в Facebook, Twitter и Google+

Двигатель внутреннего сгорания продолжает совершенствоваться по мере роста ажиотажа в отношении электромобилей

Это может быть рассвет эры электромобилей, но 2018 год стал феноменальным годом для скромного двигателя внутреннего сгорания.

Среди наиболее заметных достижений: General Motors выпустила полноразмерные пикапы, которые могут работать всего с двумя цилиндрами, Mercedes-Benz представила свой первый новый рядный шестицилиндровый двигатель за более чем 20 лет, а Nissan Motor Co.выпустила первый в отрасли двигатель с переменным сжатием, который уникальным образом сочетает в себе экономию топлива и мощность. Между тем поставщики бешеными темпами развивают технологии экономии топлива.

«Бензиновые двигатели будут оставаться очень и очень актуальными в течение долгого времени», — сказал Эд Ким, вице-президент AutoPacific по отраслевому анализу. «Потому что даже с этим стремлением к электрификации, точка, в которой мы доберемся до полного парка аккумуляторных электромобилей по всей стране, очень далека».

Несмотря на ажиотаж, порожденный Tesla, даже самые оптимистичные прогнозы требуют, чтобы на полные электромобили приходилось только около 8 процентов общего потребления.Рынок С. к 2025 году. Сегодня они составляют менее 2 процентов.

Для обслуживания остальных 90 с небольшим процентов покупателей автопроизводители вкладывают средства в новые архитектуры двигателей и технологии, которые увеличивают мощность, сокращают выбросы и повышают эффективность. Toyota Motor Corp., например, планирует заменить почти все свои двигатели в период с настоящего момента до 2023 года, при этом 17 версий девяти новых двигателей должны появиться только в ближайшие три года. Fiat Chrysler Automobiles работает над 3,0-литровым рядным шестицилиндровым двигателем с турбонаддувом, который может заменить некоторые V-8; он, вероятно, начнет появляться в автомобилях Jeep примерно в 2020 году.

«Я бы не увидел прекращения работы двигателей внутреннего сгорания на горизонте», — сказал генеральный директор Volkswagen Герберт Дисс Automotive News . «Мы все еще работаем над следующим поколением бензиновых двигателей. Они станут более экономичными. У нас будут 48-вольтовые системы start-stop и мягкие гибридные системы. Там еще предстоит много улучшений. с другой стороны, улучшение — поколение двигателя за поколением двигателя — будет уменьшено, потому что здесь не намного больше [эффективности].Низко висящие плоды исчезли ».

ICE Vs. EV — Знаете ли вы, насколько неэффективны двигатели внутреннего сгорания?

Есть много причин любить электромобили. Они тихие, мощные и быстрые, но, пожалуй, самая важная их черта — эффективность. Джейсон Фенске из Engineering Explained уже рассказал нам об этом в поездке, которую он совершил на своей Model 3. В любом случае, это видео выше, созданное Джонатаном Стюартом для канала Cleanerwatt YouTube, посвящено именно эффективности и электромобиль предлагает.

Обычно мы предпочитаем, чтобы наши читатели были достаточно любопытными, чтобы они могли посмотреть видео, которые мы представляем. Мы могли бы сделать это здесь, просто поговорив о том, что отходы — это плохо, а двигатели внутреннего сгорания расточительны по своей природе. Они ничего не могут с собой поделать.

Самые эффективные двигатели внутреннего сгорания, доступные сегодня на рынке, имеют топливную эффективность 40 процентов. Это означает, что они могут преобразовывать только 40 процентов энергии топлива в движение. Все остальное теряется на тепло и трение — все 60 процентов осталось.

Другими словами, на каждые 100 долларов, которые вы тратите на заправку бака автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, вы буквально сжигаете эквивалент 60 долларов в лучшем случае. Видео показывает нам, что вы получаете намного меньше, чем у большинства автомобилей с ДВС.

Вы когда-нибудь думали о том, чтобы сэкономить эти 60 долларов или полностью использовать их для передвижения? Это возможность, которую предлагает электромобиль, и лишь одна из важных информационных частей, которые дает это видео. Тот, который мы покажем здесь, вместо того, чтобы использовать его исключительно для видео.Извини за это, Джонатан!

Знаете ли вы, что галлон бензина эквивалентен аккумуляторной батарее на 33,7 кВтч? Это больше, чем может предложить новая Mazda MX-30 или Honda E. Тем не менее, их дальность составляет более 200 км (124 миль). Со значительным недостатком: в то время как галлон весит 6 фунтов (2,72 кг), аккумуляторная батарея с таким же количеством энергии весит 475,5 фунтов (215,7 кг). Это все равно, что постоянно носить с собой в машине двух больших взрослых людей.

Согласно EPA, максимум, что вы можете получить от автомобиля, который сжигает только топливо, составляет 33 мили — с Chevrolet Spark.Если это гибрид, вы можете пробежать 58 миль — с Hyundai Ioniq. Это 46,7% от того, чего могут добиться Mazda и Honda, если на борту постоянно находятся два телохранителя.

Если вы находитесь здесь, по адресу InsideEVs , вы, вероятно, хорошо знаете об этих преимуществах, но должно быть много людей, которых вы знаете, которые этого не делают. Поделитесь с ними этой статьей, чтобы показать, что, если они буквально не сжигают деньги, автомобиль с двигателем внутреннего сгорания — это самое близкое, что они могут сделать.Знают ли ваши друзья-редукторы, что они заправляют более 60 процентов своих денег на тепло и дым, наполняя резервуар? Что еще хуже, быть избитым Теслой на драг-стрипе?

Для них это может быть более разумным призывом рассмотреть вопрос о покупке электромобиля, чем более здоровая окружающая среда или более чистый воздух. К несчастью.

Возможности повышения эффективности и воздействия на окружающую среду двигателей внутреннего сгорания

Основные моменты

•

Ожидается, что до 2040 года не менее 85% транспортной энергии будет приходиться на традиционное жидкое топливо. и глобальное воздействие на окружающую среду.

•

Предлагается ряд возможных подходов к повышению эффективности и сокращению выбросов.

•

Стратегии двигателей могут снизить выбросы CO2 на 30%, гибридизацию и облегчение на 50%.

•

Обсуждаются последствия для транспортной политики.

Реферат

В настоящее время 99,8% мирового транспорта приводится в действие двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а 95% транспортной энергии производится за счет жидкого топлива, производимого из нефти. Рассматриваются многие альтернативы, включая аккумуляторные электромобили (BEV) и другие виды топлива, такие как биотопливо и водород. Однако все эти альтернативы начинаются с очень низкой базы и сталкиваются с очень серьезными препятствиями на пути неограниченного расширения, так что ожидается, что 85–90% транспортной энергии будет поступать от традиционных жидких видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания, даже к 2040 году.Следовательно, крайне важно, чтобы ДВС были улучшены, чтобы уменьшить воздействие транспорта на окружающую среду на местном и глобальном уровнях. В данной статье рассматриваются возможности такого улучшения после обсуждения основных принципов, регулирующих эффективность двигателя, и технологий контроля загрязнения выхлопных газов. Большие возможности для такого улучшения иллюстрируются рассмотрением различных практических подходов, уже имеющихся на рынке. Например, лучшие в своем классе двигатели SI в США потребляют на 14% меньше топлива по сравнению со средним показателем.Только разработка двигателей и обычных трансмиссий может снизить расход топлива более чем на 30% для легковых автомобилей (LDV). Внедрение других технологий, таких как гибридизация и облегчение, может снизить расход топлива на 50% по сравнению с текущим средним показателем для маломощных транспортных средств. Современная технология последующей обработки может гарантировать, что уровни загрязняющих веществ в выхлопных газах будут соответствовать самым строгим текущим требованиям по выбросам. Действительно, в самых современных автомобилях с дизельным двигателем выхлопные газы могут быть чище, чем всасываемый воздух в городских центрах.Последствия для транспортной политики, особенно когда есть планы запретить ДВС, рассматриваются в заключительном обсуждении. Все доступные технологии должны быть развернуты для смягчения воздействия транспорта на окружающую среду, и было бы крайне недальновидно препятствовать дальнейшему развитию ДВС путем ограничения их продаж.

Ключевые слова

Двигатель внутреннего сгорания

Выбросы

Эффективность

Гибридизация

Сокращения

Американское общество испытаний и материалов

аккумуляторный электромобиль

вычислительная гидродинамика

дизельный сажевый фильтр

рециркуляция выхлопных газов

конец впрыска (CAD)

бензин с воспламенением от сжатия

бензиновый сажевый фильтр

с гомогенным воспламенением от сжатия

гибридные электромобили

задержка воспламенения (SOC-SOI)

задержка воспламенения (SOC-EOI)

частично предварительно смешанное сжатие

управляемая реактивность CI

выбросы при реальном движении

октановое число по исследовательскому методу

избирательное каталитическое снижение 0003 SOC

начало горения (CAD)

начало впрыска (CAD)

баррель нефтяного эквивалента

сжатый природный газ

катализатор окисления дизельного топлива

непосредственный впрыск бензина

метил-трет-бутил эфир

новый европейский ездовой цикл

портативная система измерения выбросов

подключаемый гибридный электромобиль

накачивает среднее эффективное давление

первичное эталонное топливо

толуол эталонное топливо

процедуры испытаний для облегченных условий эксплуатации во всем мире

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2020 Автор (ы).Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

Nissan работает над двигателем с 50-процентным тепловым КПД

По большому счету, газовые двигатели внутреннего сгорания не так уж и эффективны, поскольку большая часть того, что они производят, — это отработанное тепло. Считается, что Toyota предлагает самый термически эффективный автомобильный двигатель внутреннего сгорания из производимых на сегодняшний день — 2,0-литровый четырехцилиндровый атмосферный двигатель, обеспечивающий 41-процентный тепловой КПД.Другими словами, 41 процент работы этого двигателя преобразуется в питание автомобиля, 59 процентов — это просто бесполезное тепло.

Nissan заявляет, что добился прорыва в области теплового КПД внутреннего сгорания, разработав двигатель с 50-процентным тепловым КПД. Но есть большая разница между этим новым двигателем Nissan и четырехцилиндровым двигателем Toyota — первый предназначен только для работы в очень узком диапазоне. Nissan разрабатывает этот двигатель в качестве генератора для серийных гибридных автомобилей, в которых только электродвигатель приводит в движение колеса.Двигатель внутреннего сгорания вырабатывает энергию для зарядки аккумулятора, который питает двигатель. Между двигателем и колесами нет механической связи.

Этот двигатель будет использоваться в системе Nissan e-POWER будущего поколения, которая в настоящее время используется на японском рынке Note. Nissan смог достичь 50-процентного теплового КПД в ходе испытаний, по существу настроив двигатель для работы в очень определенном диапазоне скорости и нагрузки. Поскольку двигатель не ведет колеса, ему не обязательно работать с такими широкими параметрами.

«В обычном двигателе существуют ограничения на управление уровнем разбавления топливовоздушной смеси для реагирования на изменение движущих нагрузок, с некоторыми компромиссами между различными рабочими условиями, такими как расход газа в цилиндрах, метод зажигания и сжатие. соотношение, которое может принести в жертву эффективность ради выходной мощности », — говорится в сообщении Nissan. «Однако специальный двигатель, работающий в оптимальном диапазоне частоты вращения и нагрузки для выработки электроэнергии, позволяет значительно повысить термический КПД.«

Nissan

Двигатель настроен на работу с очень разбавленной топливовоздушной смесью и работает с высокой степенью сжатия. Nissan особо не рассказывал о самом двигателе, отказавшись указывать размер, количество цилиндров и степень сжатия. На фотографиях, опубликованных Nissan, показан одноцилиндровый макет двигателя на испытательном стенде, поэтому кажется, что компания еще не определилась с точной формой этого двигателя.

Nissan стремится к 100-процентной углеродной нейтральности к 2050 году, и для достижения этой цели он вкладывает большие средства в электромобили с аккумулятором и автомобили, в которых используется его система e-POWER.Эта система кажется отличной альтернативой электромобилю, особенно в местах, где отсутствует зарядная инфраструктура.

На данный момент единственный известный нам двигатель внутреннего сгорания с тепловым КПД более 50% — это 1,6-литровый двигатель Mercedes-AMG Formula 1 V-6. Но в этом двигателе используются технологии, слишком дорогие и сложные для массовых дорожных автомобилей. Неясно, когда мы увидим этот новый двигатель от Nissan, но такие разработки показывают, что жизнь во внутреннем сгорании еще может существовать.

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

(PDF) Сравнение общей энергоэффективности транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и электромобилей

Экологические и климатические технологии

____________________________________________________________________________ 2020/24

678

ССЫЛКИ

[1] Council BE.Сценарии мировой энергетики. Мировой энергетический совет, 2013.

[2] Байчиновци Б. Качество окружающей среды: влияние транспорта, электростанции и морфологии земли, пример

Приштина. Экологические и климатические технологии 2017: 19: 65–74. https://doi.org/10.1515/rtuect-2017-0006

[3] Барисс У., Базбауэрс Г., Блумберга А., Блумберга Д. Моделирование системной динамики электроэнергии в домашних хозяйствах

Соотношение потребления и доходов : пример Латвии. Экологические и климатические технологии

2017: 20 (1): 36–50.https://doi.org/10.1515/rtuect-2017-0009

[4] Суттичаймети П., Ариясаджакорн Д. Прогноз выбросов двуокиси углерода в результате потребления энергии в

отраслях промышленности в Таиланде. Экологические и климатические технологии 2018: 22: 107–117.

https://doi.org/10.2478/rtuect-2018-0007

[5] Альбатайнех А., Альтерман Д., Пейдж А., Могтадери Б. Значение проектирования зданий для климата.

Экологические и климатические технологии 2018: 22: 165–178.https://doi.org/10.2478/rtuect-2018-0011

[6] Conti J., et al. Прогноз развития мировой энергетики на 2016 год с прогнозами до 2040 года. USDOE Energy Information

Администрация (EIA), Вашингтон, округ Колумбия (США). Office of Energy Analysis, 2016.

[7] Curran S.J. et al. Подробный анализ прямого и косвенного использования природного газа в легковых автомобилях. Энергия

2014: 75: 194–203. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.07.035

[8] Assis Brasil de W.N., et al. Воздействие на энергию и выбросы двигателей на жидком топливе по сравнению с электродвигателями для малогабаритных мотоциклов

на основе бразильского сценария. Энергия 2019: 168: 70–79.

https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.11.051

[9] Ван Влит О. и др. Энергопотребление, стоимость и выбросы CO2 электромобилей. Журнал источников энергии

2011: 196 (4): 2298–2310. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.09.119

[10] Травессет-Баро О., Росас-Казальс М., Джовер Э. Энергозатратность транспорта на горных дорогах. Сравнительный пример

двигателей внутреннего сгорания и электромобилей в Андорре. Транспортные исследования, часть D:

Транспорт и окружающая среда 2015: 34: 16–26. https://doi.org/10.1016/j.trd.2014.09.006

[11] Косай С., Наканиши М., Ямасуэ Э. Оценка энергоэффективности транспортных средств с точки зрения жизненного цикла от скважины до колеса.

Транспортные исследования, часть D: Транспорт и окружающая среда 2018: 65: 355–367.

https://doi.org/10.1016/j.trd.2018.09.011

[12] Hekkert MP, Hendriks FH, Faaij AP, Neelis ML Природный газ как альтернатива сырой нефти в автомобильном топливе

цепи колодец -колесный анализ и разработка стратегии перехода. Энергетическая политика 2005: 33 (5): 579–594.

https://doi.org/10.1016/j.enpol.2003.08.018

[13] Ван М. Выбор топлива для транспортных средств на топливных элементах: воздействие энергии на колеса и выбросов. Журнал источников энергии

2002: 112 (1): 307–321.https://doi.org/10.1016/S0378-7753(02)00447-0

[14] Стодольский Ф. и др. Полное влияние топливного цикла передовых транспортных средств. Сделки SAE 1999: 444–459.

[15] Оу Х. М., Чжан Х. Л., Чанг С. Y. Анализ жизненного цикла потребления энергии, выбросов парниковых газов и регулируемых выбросов

загрязняющих веществ на транспортных магистралях автомобильного топлива в Китае. Пекин: Центр исследований автомобильной энергии,

Университет Цинхуа, 2008.

[16] Тобин Дж. Компрессорные станции природного газа на межгосударственной трубопроводной сети: разработки с 1996 года.Энергия

Информационное управление, Управление нефти и газа 2007: 1–12.

[17] Бюро С. С. Ежегодник статистики энергетики Китая, 2008 г. Пекин: China Statistic Press, 2018.

[18] Памела Л. С., Манн М. К., Керр Д. Р. Оценка жизненного цикла угольной энергетики. США: Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии

, 1999. https://doi.org/10.2172/12100

[19] NETL. Базовый план затрат и производительности для электростанций, работающих на ископаемом топливе, Том 1: Битуминозный уголь и природный газ до

Электричество Rev.2. Pittsburgh, 2010.

[20] Торчио М. Ф., Сантарелли М. Г. Энергетическое, экологическое и экономическое сравнение различных силовых агрегатов / топлива

вариантов с использованием оценки «от скважины к колесам», энергии и внешних затрат — анализ европейского рынка. Энергия

2010: 35 (10): 4156–4171. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.06.037.

[21] Торчио М. Ф., Сантарелли М. Г. Энергетическое, экологическое и экономическое сравнение различных силовых агрегатов / топлива

вариантов с использованием оценки полного цикла, энергии и внешних затрат — анализ европейского рынка.Энергия

2018: 35 (10): 4156–4171. https://doi.org/10.1016/j.energy.2010.06.037

[22] Уннаш С., Браунинг Л. Анализ эффективности преобразования энергии в топливном цикле. Отчет о состоянии дел. CA: Air Resources

Board, 2000.

[23] Граус У., Уоррелл Э. Тенденции эффективности и мощности производства ископаемой энергии в ЕС. Энергетическая политика

2009: 37 (6): 2147–2160. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2009.01.034.

[24] Tolmasquim M. Energia Renovável: hidráulica, biomassa, eólica, solar, oceânica, 2016.

[25] Розен М. А. Сравнение энергии и эксергии угольных и атомных паровых электростанций. Exergy, An

International Journal 2001: 1 (3): 180–192. https://doi.org/10.1016/S1164-0235(01)00024-3

[26] Эдвардс Р. и др. Подробный анализ автомобильного топлива и силовых агрегатов будущего в европейском контексте. SAE

транзакции 2004: 1072–1084.

Энергия | Бесплатный полнотекстовый | Повышенный КПД двигателя внутреннего сгорания с оптимизацией фаз газораспределения при увеличенном ходе хода

1.Введение

2.Установка для экспериментов

• Для сторон впуска и выпуска подъем клапана можно изменять индивидуально.

• Для каждой пары клапанов на каждом цилиндре время клапана может быть установлено индивидуально.

• Для каждого цикла двигателя время работы клапана может быть установлено индивидуально.

Эти особенности позволяют адаптировать срабатывание впускных клапанов и количество открытий выпускных клапанов в соответствии с требуемым числом ходов и оптимальным газообменом.При небольшом подъеме клапана клапаны можно открывать, пока поршень находится в ВМТ, что расширяет диапазон возможных стратегий приведения в действие клапана.

3. Настройка моделирования

3.1. Параметры двигателя

Разрешение выбрано как можно более грубым, чтобы увеличить производительность вычислений, и настолько высоким, насколько это необходимо, чтобы предотвратить недопустимые колебания давления в решателе Matlab. Уровни давления и температуры — это средние значения, полученные в результате измерений. Температура стенок цилиндра подбирается таким образом, чтобы изменение давления во время работы пневматической пружины соответствовало экспериментальным данным. Подъем впускных и выпускных клапанов соответствует настройкам, использованным в экспериментах.Поскольку все эксперименты проводятся при довольно низкой частоте вращения двигателя 2000 об / мин, небольшого подъема клапана достаточно для газообмена. Кроме того, при таком небольшом подъеме клапаны могут оставаться открытыми, даже когда поршень проходит ВМТ. Зона прорыва снабжена данными измерения прорыва, полученными при сочетании работы с наддувом, горелкой и двигателем. Стехиометрическое соотношение воздух / топливо и точная нижняя теплотворная способность сжатого природного газа (КПГ) определяются с помощью газофазной хроматографии.

3.2. Массовый расход

m˙ (t) = cd (t) · A (t) · штифт (t) R · ϑin (t) · Ψpout (t) штифт (t),

(1)

Ψpout (t) pin (t) = {κ2κ + 1κ + 1κ − 1forpout

(2)

pcr = 2κ + 1κκ − 1 · вывод.

(3)

При моделировании учитываются следующие два состава газа:

• Свежая смесь, состоящая из воздуха (21% O2 и 79% N2) и Ch5 в стехиометрическом соотношении.

• Сгоревший газ, состоящий из N2, CO2 и h3O.

Доли газа рассчитываются в зависимости от притока и оттока из обоих коллекторов, потерь на продувку и степени сгорания. Предполагается, что впускной коллектор заполнен стехиометрической смесью воздуха и метана. Однако, если при открытии впускного клапана (IVO) сгоревший газ поступает во впускной коллектор, сгоревший газ возвращается в цилиндр во время такта впуска до того, как какая-либо свежая смесь попадет в цилиндр.

BBcorr = 0.26 forpcyl

(4)

3.3. Тепловыделение

xb = 1 − ехр − av · φ − φ0φdm + 1,

(5)

dQbdφ = dxbdφ · LHV · mfuel, цил.

(6)

3.4. Потери тепла в стенах

αW = 130 · B-0,2 · пцил0,8 · цил-0,53 · (C1 · ν) 0,8,

(7)

ν = νcm · 1 + 2 · VcV2 · pmi − 0,2,

(8)

C1 = 2,28 для цикла высокого давления, 6,18 для цикла обмена газа.

(9)

3,5. Условия в цилиндре

pcyl = mcyl · R · ϑcylV.

(10)

ϑcyl = ∫Q˙b-Q˙w-pcyl · V˙ + H˙IV-H˙EV-cv · ϑcyl · m˙cylcv · mcyldt.

(11)

Здесь Q˙b — скорость тепловыделения от сгорания, Q˙w — скорость потерь тепла через стенку цилиндра, V˙ — производная объема, H˙IV и H˙EV — потоки энтальпии в впускной и выпускной клапаны, соответственно, cv — теплоемкость постоянного объема, mcyl — общая масса, удерживаемая внутри цилиндра, а m˙cyl — ее производная.

pmi = ∮cyclepcyl · V˙Vddt.

(12)

4.Работа x-Stroke и оптимизация синхронизации выпускного клапана

4.1. Опции с пневматической пружиной

Чтобы максимизировать указанный КПД в режиме x-хода, необходимо минимизировать потери во время дополнительных оборотов двигателя. Во время работы пневматической пружины происходит обмен тепла со стенками цилиндра, и газы проходят через поршневые кольца. Когда температура и масса в камере сгорания, усредненные по дополнительным оборотам двигателя, остаются неизменными, уровни давления сходятся к установившемуся состоянию, а потери в пневматической пружине сводятся к минимуму.Таким образом, теплообмен со стенками цилиндра приближается к своему равновесию за несколько ходов, в то время как захваченная масса достигает устойчивого состояния только после десятков оборотов двигателя. Таким образом, установившаяся точка пневматической пружины не может быть достигнута во временном интервале, соответствующем операции x-хода. Следовательно, невозможно достичь установившейся точки пневматической пружины. Однако цель этого исследования состоит в том, чтобы найти тайминги клапана, которые максимизируют указанную эффективность для данной операции хода.

4.2. Поиск по сетке для оптимального времени работы выпускного клапана для варианта 4

4.2.1. Внешний контур

4.2.2. Внутренний контур

4.2.3. Результаты

5. Экспериментальная проверка

5.1. Поиск по сетке на испытательном стенде для 12-тактного режима работы

5.2. Сравнение различных операций x-Stroke и работы с двумя цилиндрами

5.2.1. Сравнение различных операций x-Stroke

5.2.2. Сравнение двухцилиндрового хода с различными операциями x-хода

6. Выводы

В этой статье мы оптимизировали тайминги клапана для стратегии сгорания, называемой x-ходом, которая основана на стратегиях пропуска цикла или пропуска зажигания и снижает частоту событий сгорания, чтобы увеличить часть -нагрузочная эффективность двигателя внутреннего сгорания. В отличие от аналогичных стратегий, ход по оси x термически сбалансирован и непрерывно работает на всех цилиндрах. Кроме того, количество дополнительных ходов выбирается в соответствии с запрошенной нагрузкой двигателя.В статье основное внимание уделяется оптимизации пневматической пружины, которая присутствует во время дополнительных оборотов двигателя в режиме x-такта, и, таким образом, максимизации указанной эффективности. Для таймингов выпускного клапана, основных переменных уровней давления пневматической пружины, введена процедура оптимизации. С помощью нульмерного моделирования, параметризованного данными измерений, показан теоретический потенциал x-хода и сравнивается с тем, что можно получить на нашем испытательном стенде двигателя.Для проверки используется полностью регулируемый клапанный механизм собственной разработки под названием FlexWork, который устанавливается на двигатель 1,4 л с искровым зажиганием. Основные результаты этого исследования можно резюмировать следующим образом:

• Моделирование с идеальными профилями подъема клапана показывает, что при 12-тактном режиме работы и нагрузке на цилиндр 5 Нм достигается указанный КПД 35,7%.

• На испытательном стенде двигателя в той же рабочей точке максимальный достигнутый КПД составляет 34.3%.

• Указанный КПД значительно улучшается, когда переход от пневматической пружины к операции газообмена задерживается, что увеличивает внутренний расход выхлопных газов. Эта мера требует задержки момента закрытия впускного клапана для достижения желаемого крутящего момента, что увеличивает эффективную степень сжатия и пиковое давление сгорания.

• Предварительная нагрузка на пневматическую пружину остаточным газом сводит к минимуму отрицательные потери на продувку, что предотвращает всасывание масла во время операции x-хода и, таким образом, помогает снизить выбросы углеводородов.

• Средняя среднеквадратичная ошибка 0,18% для указанной эффективности подтверждает хорошее согласие между результатами экспериментов и моделирования с реалистичными профилями подъема клапана.

• Измерения изменений нагрузки при 4-, 8- и 12-тактных операциях показывают, что при использовании операции x-хода указанная эффективность остается высокой также в диапазоне значительно более низких выходных крутящих моментов.

• Благодаря более стабильному сгоранию при работе с x-ходом, можно дольше поддерживать центр сгорания около оптимального при низком выходном крутящем моменте, что снижает выбросы и увеличивает эффективность.

• Для некоторых рабочих точек в режиме x-такта не только улучшается указанный КПД, но также увеличивается температура в выпускном коллекторе, что благоприятно сказывается на системе нейтрализации выхлопных газов.

• 4-тактный двухцилиндровый режим обеспечивает аналогичную или более высокую эффективность, чем 8-тактный четырехцилиндровый режим, но аналогичную или меньшую эффективность, чем 12-тактный четырехцилиндровый режим. Однако температура выхлопных газов при работе с двумя цилиндрами значительно выше, чем при всех стратегиях работы с четырьмя цилиндрами.

• Представленная в этой статье процедура оптимизации таймингов выпускных клапанов применима к любому допустимому числу хода более четырех и может быть адаптирована к различным двигателям и полностью регулируемым системам клапанного механизма.

Целью данной статьи было введение процедуры оптимизации таймингов клапанов таким образом, чтобы указанная эффективность двигателей внутреннего сгорания в режиме x-такта была максимальной.