- Rezumat:
Se ia în considerare un set de soluții de proiectare interconectate destinate creșterii economiei unui motor cu combustie internă.
Pentru a crește rentabilitatea motoarelor cu ardere internă, inginerii au lucrat mai mult de un secol. Cu toate acestea, eficiența efectivă realizată este încă departe de limita determinată de legile termodinamicii. Printre pierderile de energie cele mai semnificative și, în același timp, relativ ușor de îndepărtat sunt pierderile datorate subexpandării produselor de combustie. La sfârșitul ciclului de lucru, atunci când supapele de evacuare sunt deschise, presiunea produselor de combustie este semnificativ mai mare decât presiunea atmosferică. S-ar putea încă să se extindă, dând energie, dar în schimb ei zboară în țeavă. În același timp, energia neutilizată este transformată în zgomot, care forțează toba de eșapament să fie pusă pe eșapament. Un amortizor de zgomot este o rezistență suplimentară la gazele de eșapament și pierderi suplimentare de energie. Datorită subexpansiunii, se pierde aproximativ 10% din energie, iar în prezența unui catalizator, până la 20%.
Motivul pentru acest tip de pierdere este că toate cele patru măsuri sunt efectuate într-un singur cilindru. Prin urmare, volumul de aer (sau amestec de lucru) la sfârșitul cursei de aspirație este egal cu volumul de produse de ardere la sfârșitul cursei de lucru. În consecință, presiunea produselor de ardere va fi la fel de mult ca presiunea aerului, de câte ori este mai mare temperatura în grade Kelvin. (Mai precis, trebuie să ținem seama și de injecția de combustibil și de caracteristicile fazelor de distribuție a gazelor).
Într-o oarecare măsură, utilizarea energiei gazelor subexpandate permite turbo-supraîncărcarea. Cu toate acestea, presiunea medie înaintea turbinei este încă mai mică decât la sfârșitul ciclului de funcționare, adică există încă o pierdere. În plus, energia extrasă din gazele expandate este utilizată pentru a crește presiunea la intrarea în motor, ceea ce înseamnă că presiunea la sfârșitul ciclului de lucru crește atât de mult. Prin urmare, turbocompresorul crește puterea mai mult decât eficiența.
Eliminați pierderea subexpansiei prin împărțirea ciclului de funcționare între cele două cilindri. În primul, de admisie și de compresie, iar în al doilea, un volum mai mare, cursa de lucru și de presă. Diagrama unui astfel de motor este prezentată în figura 1. (În această figură, barele de legătură sunt rotite arbitrar cu 90 de grade în planul desenului).
Ventil cu 1 orificiu, compresor cu 2 cilindri, 3 supape de by-pass, distribuitor cu 4 combustibili, cilindru cu 5 cilindri, cu 6 ieșiri.
Ciclul începe cu deschiderea robinetului de intrare 1 în momentul când pistonul compresor 2 este centrul mort superior (TDC) (mai precis, valva se deschide cu o ușoară întârziere). Când pistonul se deplasează în jos, aerul umple cilindrul compresorului 2, după care supapa de admisie 1 se închide la centrul mort inferior (BDC) și începe compresia. Când pistonul nu atinge TDC, supapa de bypass 3 se deschide și aerul comprimat începe să fie împins în cilindrul de lucru 5, care este în TDC. Această cifră arată acest moment. Transportul aerian este însoțit de alimentarea cu combustibil a acestuia prin colectorul 4 și prin arderea acestuia. Este mai bine să se utilizeze gazul natural drept combustibil pentru un astfel de motor, deși este posibil să se utilizeze alte tipuri de combustibil dacă sunt livrate în mod tradițional. Procesul de transport aerian și arderea combustibilului are loc la o presiune practic constantă. Creșterea volumului de produse de combustie în timpul arderii este compensată de faptul că volumul cilindrului de lucru este mai mare decât volumul cilindrului compresorului. Când compresorul ajunge la TDC, supapa de by-pass 3 se închide. Pistonul cilindrului de lucru efectuează o cursă de lucru, capătul căruia, la presiune BDC în cilindrul de lucru scade la presiunea atmosferică, plus o mică pierdere la ieșirea robinetului 6. Macara 6 se deschide, iar produsele de ardere sunt stoarse în țeava de eșapament. În acest caz, din cauza lipsei de presiune reziduală, nu este nevoie de o toba de eșapament. Se presupune că ambii cilindri vor avea un volum mort minim, adică În TDC, pistonul va atinge aproape capul cilindrului. Decalajul dintre ele este necesar doar pentru a compensa erorile de asamblare și deformările termice.
În loc de supapele tradiționale în acest design, se propune utilizarea de macarale care se deschid atunci când găurile din blocul cilindrului și placa macaralei sunt aliniate. Numai în contrast cu valvele cu bilă răspândite, datele nu se rotesc, ci realizează mișcări verticale cu mișcare alternativă sub acțiunea acelorași came ale arborelui cu came. (Controlul inteligent al sincronizării supapelor cu utilizarea dispozitivului de acționare a supapei electrice în acest design nu oferă avantaje semnificative și, prin urmare, este inadecvat).
Folosirea supapelor în locul supapelor face posibilă reducerea semnificativă a volumelor moarte și, în plus, reducerea pierderilor de presiune pe macarale, deoarece se elimină caracteristica caracteristică a supapelor. În plus, găurile din macarale nu sunt rotunde, ci dreptunghiulare sau ovale (partea mare în direcția perpendiculară pe planul din figura 1), ceea ce permite creșterea suprafeței de trecere. Și, în cele din urmă, macaralele nu bat niciodată.
Valva de bypass 3, pe lângă funcția principală, asigură alimentarea și amestecarea cu combustibil. Pentru a face acest lucru, are un colector 4, în care gazul natural comprimat intră printr-o gaură laterală (în figură este reprezentată de un cerc în adâncimea colectorului). Atunci când supapa este deplasată într-o poziție deschisă, acest orificiu este aliniat cu deschiderea de contor din blocul de cilindri (nu este prezentat), prin aceasta deschizând și închizând simultan fluxul de aer și alimentarea cu combustibil. Din colectorul 4, prin mai multe deschideri, combustibilul intră în aerul permeabil perpendicular pe fluxul său, asigurând astfel amestecarea lor. Pentru a recicla scurgeri de gaze naturale, cavitățile de deasupra și dedesubtul supapei sunt conectate la orificiul de admisie al motorului și un flux mic de aer este furnizat acestor cavități.
Meritele acestui sistem includ:
1) Eliminarea pierderilor pentru subexpandarea produselor de ardere și pierderile asociate cu un amortizor de zgomot.
2) Lipsa de încălzire a aerului în stadiul de aspirație și de comprimare datorită contactului cu stive de cilindru fierbinte, piston și cap de cilindru. O astfel de încălzire într-un motor convențional mărește consumul de energie al compresiei și reduce eficiența termodinamică.
3) Reducerea pierderilor datorate volumelor moarte. În motorul tradițional, gazele din ciclul precedent rămân în volumul camerei de ardere. Numărul lor încearcă să se reducă din cauza suprapunerii fazelor de distribuție a gazelor. Nu există nici o problemă aici, deși există volume mici de deșeuri la intrarea și ieșirea la macarale.
4) Este posibil să crească raportul de compresie la un nivel egal sau mai mare decât valorile tipice pentru un motor diesel. În același timp, sarcini mecanice sunt mai puțin datorită faptului că nu există nici un vârf de presiune la momentul combustiei de combustibil.
5) Spre deosebire de motoarele diesel și injecția directă, combustibilul este mai uniform amestecat cu aerul. Când se injectează combustibilul, acesta nu poate fi distribuit în mod uniform în camera de ardere, iar în această schemă, combustibilul este dozat în aerul de trecere în timpul transportului suficient de uniform. Schimbarea vitezei de mișcare a pistonului în timpul mișcării poate fi compensată prin suprapunerea parțială a orificiului de admisie a combustibilului în timpul deplasării supapei de scurgere, care menține proporția dintre aer și gaz constantă.
Dezavantajul acestei scheme este reducerea puterii pe litru de volum de lucru datorită volumului mai mare al cilindrului de lucru. Dacă în această schemă cilindrii erau identici, atunci nu ar exista o diferență semnificativă în putere, deoarece creșterea numărului de cilindri este compensată de un factor de 2 prin scăderea numărului de cicluri în fiecare dintre ele, de asemenea, cu un factor de 2. Dar o creștere a volumului cilindrului de lucru în comparație cu acest caz este însoțită de o creștere disproporționat de mică a puterii. Acesta este prețul pe care trebuie să-l plătiți pentru economie.
Mai important este faptul că arderea sub presiune constantă din punctul de vedere al termodinamicii este mai rea decât combustia la un volum constant. Acest dezavantaj poate fi prezentat, astfel încât, pentru a atinge același nivel de presiune la sfârșitul arderii în ciclul actual trebuie să comprime în continuare aerul din compresor, în timp ce în ciclul tradițional al compresorului energia consumată pentru a atinge nivelul de presiune inferior, care este crescută suplimentar prin arderea. Costurile suplimentare corespunzătoare ale energiei pentru comprimare sunt destul de comparabile în mărime cu pierderile eliminate pentru subexpansiune.
Pentru acest sistem în arderea are loc la volum constant este necesar ca viteza relativă a pistonului compresorului are ca de multe ori mai mare decât viteza relativă de deplasare a pistonului de lucru, cât de mult volum mai mare decât volumul cilindrului de lucru al cilindrului compresorului. Acest număr este aproximativ egal cu raportul dintre temperaturile absolute înainte și după combustie. Cu toate acestea, mecanismul convențional de manivelă asigură o viteză relativă relativă a mișcării pistonului (viteza absolută este diferită și proporțională cu înălțimea volumului de lucru al cilindrului).
Pentru a asigura o viteză relativă mare a pistonului compresorului în apropierea TDC, este posibilă modificarea acționării pistonului în conformitate cu diagrama cinematică din figura 2.
În această schemă, mișcarea suplimentară în apropierea TDC este asigurată prin "îndreptarea" tijei conice, care include un trapez de pe pârghii. Astfel, este posibil să se asigure o depozitare aproximativă a volumului atunci când se comprimă aerul din compresor în cilindrul de lucru. Un avantaj suplimentar al unei astfel de acționări este lungimea mare posibilă a cilindrului cu același diametru.
Dezavantajele acestei soluții includ creșterea masei tijei de legătură, a costului acesteia și, într-o anumită măsură, a dimensiunilor motorului. Deși mecanismul (vezi figura 2) este mai lung decât cel tradițional, distanța dintre cap și arborele cotit din figura 1 este determinată de cilindrul de lucru ca având o curgere mai mare. Prin urmare, creșterea lungimii de acționare a cilindrului compresorului parțial se produce în interiorul lungimii mai mari a acționării cilindrului de lucru. De asemenea, avantajul (4) este pierdut, deoarece presiunea în timpul arderii crește.
Un compromis rezonabil între ardere la presiune constantă și volum constant este practic posibil, ceea ce este asigurat de alegerea corespunzătoare a raportului dintre lungimile brațelor mecanismului (a se vedea figura 2).
În mod separat, ar trebui să discutăm despre pierderea de căldură în pereții cilindrului de lucru. Într-un motor tradițional, pierderea de căldură este unul dintre cele mai importante motive pentru reducerea eficienței. Ideea de a crea motor adiabatică a materialelor ceramice în măsura în care nu a fost pe deplin realizat datorită distrugerii materialelor ceramice în timpul ciclurilor termice și complexitatea asigurării integrității în absența unor inele metalice elastice și grăsime. Cu toate acestea, chiar dacă motorul tradițional pentru a face ceramica, este încă elimina complet pierderea de căldură nu va fi în măsură, ca dintr-un pereți ceramice fierbinți mai multă căldură va fi transferată aerului în etapele de admisie și compresie. În consecință, nu se va elimina nici o căldură mai puțin din produsele de ardere. Trebuie remarcat faptul că transferul de căldură de la produsele de ardere la aerul de admisie într-o măsură mai mare reduce eficiența decât pur și simplu transfera această căldură la sistemul de răcire.
În acest motor, pereții nu se răcesc din interior, astfel că pierderea de căldură în ele va fi mai puțin uniformă în structura răcită. În plus, în acest motor există mai puține diferențe de temperatură, ceea ce simplifică utilizarea materialelor ceramice pentru a reduce fluxul de căldură către piston și capul cilindrului. Pentru răcirea părții superioare a căldurii, puteți utiliza combustibilul - gaz natural. Acest principiu de recuperare a răcirii este utilizat pe scară largă în motoarele cu rachetă cu combustibil lichid, însă în motoarele cu piston nu este practic utilizat. Răcirea întregului cilindru în acest fel este problematică din cauza lipsei de resurse de combustibil rece. Prin urmare, abandonarea sistemului tradițional de răcire în acest caz nu va funcționa.
Avantajul răcirii prin recuperare este că căldura transferată la gaz nu se pierde, ci revine la ciclul de lucru. În plus, alimentarea cu gaz încălzit face mai ușoară aprinderea, ceea ce reduce durata de combustie a combustibilului și contribuie la creșterea integrității arderii. Cu toate acestea, temperatura gazului nu ar trebui să fie prea mare pentru a permite auto-aprinderea să aibă loc înainte de amestecarea cu aerul, nici nu se produce auto-aprinderea scurgeri de gaze. Un avantaj suplimentar al încălzirii este creșterea volumului de gaz, care simplifică amestecarea acestuia cu aerul. Gazele de amestec sunt mai ușor dacă costurile lor volumetrice diferă mai puțin. În plus, în acest caz, diametrul necesar al orificiilor de alimentare cu gaz este mărit, ceea ce face mai ușoară fabricarea acestora.
Proiectarea sistemului de alimentare cu gaz este după cum urmează. Gazul natural din rezervor intră transmisia de cârmă, denumită pompă dozatoare cu piston, după care intră în pasajul de parcurgere manta a cilindrului de lucru și de acolo de răcire prin deschiderea laterală în supapa de bypass a gazului. Pompa de dozare asigură proporționalitatea cantității de gaz furnizate la turația motorului. Această pompă nu este oferită prin regulament. excesul de gestiune a raportului aer trebuie efectuată datorită uneltelor, reglarea nivelului de presiune, care sprijină de-a lungul. Deoarece încălzirea gazului este deja efectuată în spatele pompei de dozare, cantitatea de încălzire nu va afecta coeficientul de aer în exces.
Un alt motiv pentru pierderea de energie este necesitatea schimbării frecvente a puterii motorului prin schimbarea factorului de aer în exces. Din acest motiv, motorul funcționează pentru o parte considerabilă a timpului pe o bază neoptimală, consumând excesul de combustibil și poluând mediul. Recent, pentru a elimina aceste pierderi, uneori, foloseste un sistem de hibrid în care motorul cu ardere internă funcționează într-un mod mai favorabil constantă, rotirea generatorului care alimentează baterii sau supercapacitorilor. Controlul puterii este realizat de motoare electrice, care consumă energia bateriilor, după cum este necesar. În plus, hidrurile utilizează energia inhibării. Dar acest sistem are dezavantajele sale. În primul rând, există o mulțime de echipamente electrice suplimentare, ceea ce mărește costul și reduce fiabilitatea. În al doilea rând, toată energia produsă suferă transformări suplimentare: mecanice la electrice, electrice la chimice (în baterii) și apoi toate înapoi. Și, deși eficiența fiecăreia dintre aceste transformări este relativ mare, în rulajele agregate.
O versiune de compromis a designului șasiului este următoarea: ICE, ambreiaj, generator de motor electric, cutie de viteze, diferențial, întrerupătoare de circuit, roți. În acest caz, prin circuitul electric trece, nu toată energia generată, ci doar o parte din ea - diferența dintre puterea generată de motorul cu ardere internă, la raportul optim de aer în exces și cererea de energie pe roți. În consecință, puterea și prețul piesei electrice sunt reduse, iar în caz de defecțiune, mașina menține cursul, îndreptându-se spre metoda tradițională de control al puterii. Pentru a menține un factor optim în exces de aer cel mai onest (deși nu cel mai scump) modul în care este în mod continuu de măsurare a compoziției de feedback-ul de evacuare a gazelor de calculator pe mecanismul de direcție. Dacă monoxidul de carbon apare în produsele de ardere, presiunea din spatele reducătorului scade și dacă oxigenul crește, atunci. Dacă cererea de reglare a puterii depășește capacitățile generatorului de motor electric, computerul continuă să controleze presiunea gazului natural pe baza furnizării puterii necesare.
În mașinile moderne adesea nu există una, ci două axe de acționare. Tractarea lor tradițională prin diferențialul interaxle este asociată cu pierderi suplimentare de energie. Puteți lua în considerare opțiunea atunci când fiecare axă este condusă de unitatea de rulare a compoziției considerate mai sus. Aceasta, desigur, este mai scumpă, deși pentru camioanele cu capacitate mare, posibilitatea de a unifica un vehicul semi-puternic care rulează cu mai multe clase de mașini comune poate compensa parțial creșterea prețurilor. Principalul avantaj al celor două șasiuri este o creștere radicală a fiabilității. Mașina nu își pierde cursul în aproape orice eșec, deoarece un șasiu face posibilă mișcarea chiar și la o viteză mai mică. Probabilitatea eșecului simultan al celor două rulaje este suficient de mică.
În plus, prezența a două șasiuri îmbunătățește semnificativ posibilitatea unui control optim. În primul rând, există posibilitatea unui control al puterii treptat prin dezactivarea funcționării "extra" cu ajutorul întreruptoarelor. În al doilea rând, există posibilitatea modificării alternante a treptelor de viteză, care este favorabilă dinamicii automobilului (nu există perioade de pierdere a puterii). În al treilea rând, transmisiile "mixte" sunt posibile. De exemplu, raportul optim de transmisie în acest mod se află în mijlocul celei de-a doua și a treia trepte de viteză. Apoi, un șasiu poate funcționa pe al doilea, iar cel de-al doilea șasiu în a treia treaptă. În care primul generator de șasiu utilizează excesul de cuplu ICE și transferă energie la motorul electric al doilea suspensie, în care cuplul nu este suficient. Dacă balanța de energie electrică nu converge, atunci este compensată de supercapacitorii. În acest caz, este posibil să se utilizeze cutii mai simple și mai ieftine cu unelte mai reduse.
Astfel, posibilitățile de îmbunătățire a ICE tradiționale nu sunt încă epuizate, deși epoca dominației sale se apropie deja de sfârșit.
Trimiteți-le prietenilor: