ПОЛЕЗНОЕ ДЕЙСТВИЕ ДЛЯ КПД
ПОЛЕЗНОЕ ДЕЙСТВИЕ ДЛЯ КПД
ТЕХНИКА
Термодинамика
ПОЛЕЗНОЕ ДЕЙСТВИЕ ДЛЯ КПД
Борьба за экономию и экологию породила новое поколение необыкновенных движков.
Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ, Миша ГЗОВСКИЙ
От чего зависит КПД мотора? Все бессчетные составляющие перечислять не будем, остановимся на 2-ух. Для начала определимся со степенью сжатия. Как бы ясно: необходимо, чтоб она была очень высочайшей (см. график) и чтоб при всем этом ни в коем случае не появлялась жесткая детонация. На режиме наибольшей мощности и близких к нему при данной форме камеры сгорания ничего поменять нельзя. Другое дело при частичной нагрузке, когда дроссель двигателя внутреннего сгорания прикрыт. Тут появляется увлекательная ситуация: консистенции в цилиндр попадает меньше и давление в нем в конце такта сжатия оказывается вдвое-втрое ниже, чем под нагрузкой! Мотор работает так, как будто степень сжатия в 2-3 раза ниже номинальной. Соответственно, приметно понижается КПД...
ПОДВИЖНАЯ КРЫША
Зависимость КПД мотора от степени сжатия стала явна еще на заре автомобилизации, и с того времени в мире было патентовано много изобретений, связанных с этим явлением. Сейчас этот ряд пополнит разработка компании СААБ - мотор с изменяемой степенью сжатия. 1-ые пробы сконструировать движок такового типа СААБ решал еще сначала 80-х годов, но только спустя 10 лет скопленный опыт был перенесен с бумаги на металл. В конце 90-го года дело, в конце концов, дошло до запуска реально действующего эталона. 1-ый опыт с двухлитровым агрегатом обосновал жизнеспособность концепции.
Заручившись поддержкой германской компании "FEV Мотортехник" из Аахена, шведские спецы спустя 5 лет делают мотор наименьшего объема - 1,4 л. И здесь их поджидает разочарование: движок не вписывается в палитру моделей по динамическим чертам и к тому же не удовлетворяет технологов по компоновочным суждениям.
Но вот, в конце концов, компания решает показать очередной, более близкий к актуальным реалиям макет. О суровых намерениях можно судить хотя бы по месту дебюта: на одном из более популярных европейских салонов - Женевском.
Ключевое отличие саабовской конструкции (ее окрестили SVC) от традиционного современного бензинового двигателя - в способности изменять положение высшей части мотора по отношению к нижней. Верхняя состоит из головки блока с вставленными в нее цилиндрами. (Это решение понятно далековато не 1-ый год. Не напрасно ведь молвят, что все новое - отлично забытое старенькое. Такие моторы появились еще сначала века, а позднее встречались на гоночных "мерседесах" и "ferrari".) Нижняя "половина" мотора - картер коленчатого вала; соединены части шарнирно, а плотность зазора меж ними обеспечивает уплотнитель, гофрированный резиновый чехол. По экономическим суждениям большая часть деталей взяли в долг от серийных моторов - коленчатый вал с шатунами, поршни. Даже схема расположения клапанов - их четыре на каждый цилиндр - унаследована от обыденных саабовских моторов.
Попробуем разобраться, как действует макет. Зависимо от критерий и нагрузки головка цилиндров изменяет угол наклона по отношению к картеру в границах 4°. Гидравлический привод поворачивает эксцентриковый вал механизма наклона, соединенный с головкой дополнительными шатунами. Так как ход поршня остается прежним, изменяется объем камеры сгорания и, соответственно, степень сжатия. При малой нагрузке она составляет 14:1, а с ее ростом плавненько снижается до 8:1 и в действие вступает механический нагнетатель.
Самая "умственная" часть работы - найти лучшую для определенного режима степень сжатия. Эту функцию делает электрическая система управления движком "СААБ-Трионик", которая опирается на информацию о нагруженности мотора, скорости вращения коленчатого вала и даже качестве горючего. Она же решает, когда стоит использовать нагнетатель.
Как эффективна схема мотора СААБ SVC? Судите сами: пятицилиндровый мотор объемом всего 1,6 л развивает мощность 225 л. с. и вращающий момент 305 Н.м при давлении наддува 2,8 атм. Но даже не это главное: по сопоставлению с близким по характеристикам сотрудником классической конструкции он сберегает до 30% горючего!
Спецы считают, что им будет нужно пару лет, чтоб довести мотор, что именуется, "до кондиции". Концепция шведов, как и неважно какая новенькая мысль, не лишена подводных камешков. К примеру, дифференцируемая степень сжатия подразумевает применение нагнетателя высочайшего давления. Не считая того, приходится иметь дело только с движками малого объема, которые работают с высочайшей удельной нагрузкой, по другому достигнуть 30-процентной топливной экономичности будет фактически нереально.
Сейчас перейдем к скорости сгорания. Естественно, она находится в зависимости от состава консистенции, свойства распыления (испарения) и типа горючего. Но если форсунка с тончайшими каналами работает при давлении 2000 атм, когда приходится учесть сжимаемость не только лишь воды, да и металла, может показаться, что резервы исчерпаны. А ведь нужно-то малость: чтоб поле температур в цилиндре при сгорании было как можно более равномерным, а горючее сгорало очень много и при всем этом может быть резвее, так как догорание на такте расширения неэффективно. Еще условие: лучше избежать появления зон с температурами выше 2000°С - тут диссоциируют молекулы Н2О и СО2, отбирая энергию и снижая КПД. Да и низкой температура быть не может - снизится давление в цилиндре и опять-таки КПД. Ловушка? Не совершенно.
ГУБКА В ЦИЛИНДРЕ
Основная проблема дизеля, которую еще никто не решил, это противоречие меж понижением выброса сажи и окислов азота: улучшая один из характеристик, безизбежно ухудшаем другой. Естественно, отчасти выручает каталитический нейтрализатор, но это вещь дорогая, да к тому же с течением времени забивается частичками сажи, увеличивает сопротивление на выпуске...
В общем, дизелестроителям крайне нужен был свежайший взор на делему. Его-то искрометно показали доктор из института в Эрлангене под Нюрнбергом Франц Дурст и польский инженер Мирослав Вечлас. В итоге более чем десятилетних исследовательских работ процесса сгорания они сообразили: ключ к решению кроется в увеличении на порядок скорости распространения фронта пламени в цилиндре и наличии равномерного температурного поля без зон локального перегрева. Так родилась необыкновенная мысль: впрыскивать горючее не в пустую камеру сгорания, а в заполненную трехмерной пространственной структурой, которая обладала бы теплоемкостью и теплопроводимостью, сопоставимыми с существующими для твердого тела. Но, позвольте, как тогда будет двигаться поршень? Да по-прежнему, ведь эта "решетка" разместится над ним в углублении головки блока цилиндров.
Сейчас осталось "только" подобрать подходящую "пену", которая бы выдерживала температуру порядка 1500°С и имела открытые ячейки размером более 3-х мм. Таким материалом оказался карбид кремния. "Губку" из него вклеили в камеру сгорания экспериментального дизельного мотора. (Заметим в скобках, что на долю самого материала пришлось всего 10% объема камеры - остальное поры). И вот одноцилиндровый дизелек заработал, при этом безо всякой электроники. 1-ое, что ринулось "в уши", - это практически полное отсутствие шума от вспышек горючего. Еще важнее оказалась необыкновенная чистота выхлопных газов: уровень выброса окислов азота был на пределе чувствительности устройств и это без всяких ухищрений типа неоднократного впрыска, рециркуляции выхлопных газов...
Так как горючее сейчас попадало на умеренно прогретую до 1300°С глиняную губку, интенсивно "завихряясь" в ее порах, оно сгорало фактически стопроцентно, так что ни о каком черном дыме и речи не было! При этом состав консистенции варьировался в широких границах, прямо до стехиометрического. Сейчас струю горючего не надо выкидывать далековато в цилиндр (она все равно тормозится в глиняном наполнителе), а поэтому отпала надобность в сверхвысоком давлении в форсунках. Ну и размер микрокапелек закончил играть существенную роль.
Для более "продвинутых" читателей приведем любознательные диаграммы. В координатах температура-энтропия показан рабочий цикл дизельного мотора. Желтоватым обозначен на теоретическом уровне безупречный (и недосягаемый в реальном движке) цикл Карно. Фигура 1-2-3-4-1 - цикл обычного сейчас мотора. А 1-5-6-7-8-1 относится к придуманному движку (см. схему работы, в). Ну и что? - спросите вы. Оказывается, отношение площади фигуры к суммарной площади ее и под ней как раз и определяет КПД!
Отметим еще одну изюминку нового изобретения. Пена из карбида кремния совершенно подходит для напыления на нее платины. Для чего? А это, если экологи и далее будут бушевать. Катализатор окажется расположенным... прямо в цилиндре, в месте сгорания горючего. Так как температура там существенно ниже 1769°С, плавящих этот металл, напыленный слой будет отлично биться с остатками вредных веществ.
Патенты получены, сейчас дело за большими производителями авто движков. И не только лишь дизельных. Оказывается, мысль может быть использована и для бензиновых моторов. Исследования в самом разгаре.
ТЕХНИКА
Термодинамика
ПОЛЕЗНОЕ ДЕЙСТВИЕ ДЛЯ КПД
Борьба за экономию и экологию породила новое поколение необыкновенных движков.
Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ, Миша ГЗОВСКИЙ
От чего зависит КПД мотора? Все бессчетные составляющие перечислять не будем, остановимся на 2-ух. Для начала определимся со степенью сжатия. Как бы ясно: необходимо, чтоб она была очень высочайшей (см. график) и чтоб при всем этом ни в коем случае не появлялась жесткая детонация. На режиме наибольшей мощности и близких к нему при данной форме камеры сгорания ничего поменять нельзя. Другое дело при частичной нагрузке, когда дроссель двигателя внутреннего сгорания прикрыт. Тут появляется увлекательная ситуация: консистенции в цилиндр попадает меньше и давление в нем в конце такта сжатия оказывается вдвое-втрое ниже, чем под нагрузкой! Мотор работает так, как будто степень сжатия в 2-3 раза ниже номинальной. Соответственно, приметно понижается КПД...
ПОДВИЖНАЯ КРЫША
Зависимость КПД мотора от степени сжатия стала явна еще на заре автомобилизации, и с того времени в мире было патентовано много изобретений, связанных с этим явлением. Сейчас этот ряд пополнит разработка компании СААБ - мотор с изменяемой степенью сжатия. 1-ые пробы сконструировать движок такового типа СААБ решал еще сначала 80-х годов, но только спустя 10 лет скопленный опыт был перенесен с бумаги на металл. В конце 90-го года дело, в конце концов, дошло до запуска реально действующего эталона. 1-ый опыт с двухлитровым агрегатом обосновал жизнеспособность концепции.
Заручившись поддержкой германской компании "FEV Мотортехник" из Аахена, шведские спецы спустя 5 лет делают мотор наименьшего объема - 1,4 л. И здесь их поджидает разочарование: движок не вписывается в палитру моделей по динамическим чертам и к тому же не удовлетворяет технологов по компоновочным суждениям.
Но вот, в конце концов, компания решает показать очередной, более близкий к актуальным реалиям макет. О суровых намерениях можно судить хотя бы по месту дебюта: на одном из более популярных европейских салонов - Женевском.
Ключевое отличие саабовской конструкции (ее окрестили SVC) от традиционного современного бензинового двигателя - в способности изменять положение высшей части мотора по отношению к нижней. Верхняя состоит из головки блока с вставленными в нее цилиндрами. (Это решение понятно далековато не 1-ый год. Не напрасно ведь молвят, что все новое - отлично забытое старенькое. Такие моторы появились еще сначала века, а позднее встречались на гоночных "мерседесах" и "ferrari".) Нижняя "половина" мотора - картер коленчатого вала; соединены части шарнирно, а плотность зазора меж ними обеспечивает уплотнитель, гофрированный резиновый чехол. По экономическим суждениям большая часть деталей взяли в долг от серийных моторов - коленчатый вал с шатунами, поршни. Даже схема расположения клапанов - их четыре на каждый цилиндр - унаследована от обыденных саабовских моторов.
Попробуем разобраться, как действует макет. Зависимо от критерий и нагрузки головка цилиндров изменяет угол наклона по отношению к картеру в границах 4°. Гидравлический привод поворачивает эксцентриковый вал механизма наклона, соединенный с головкой дополнительными шатунами. Так как ход поршня остается прежним, изменяется объем камеры сгорания и, соответственно, степень сжатия. При малой нагрузке она составляет 14:1, а с ее ростом плавненько снижается до 8:1 и в действие вступает механический нагнетатель.
Самая "умственная" часть работы - найти лучшую для определенного режима степень сжатия. Эту функцию делает электрическая система управления движком "СААБ-Трионик", которая опирается на информацию о нагруженности мотора, скорости вращения коленчатого вала и даже качестве горючего. Она же решает, когда стоит использовать нагнетатель.
Как эффективна схема мотора СААБ SVC? Судите сами: пятицилиндровый мотор объемом всего 1,6 л развивает мощность 225 л. с. и вращающий момент 305 Н.м при давлении наддува 2,8 атм. Но даже не это главное: по сопоставлению с близким по характеристикам сотрудником классической конструкции он сберегает до 30% горючего!
Спецы считают, что им будет нужно пару лет, чтоб довести мотор, что именуется, "до кондиции". Концепция шведов, как и неважно какая новенькая мысль, не лишена подводных камешков. К примеру, дифференцируемая степень сжатия подразумевает применение нагнетателя высочайшего давления. Не считая того, приходится иметь дело только с движками малого объема, которые работают с высочайшей удельной нагрузкой, по другому достигнуть 30-процентной топливной экономичности будет фактически нереально.
Сейчас перейдем к скорости сгорания. Естественно, она находится в зависимости от состава консистенции, свойства распыления (испарения) и типа горючего. Но если форсунка с тончайшими каналами работает при давлении 2000 атм, когда приходится учесть сжимаемость не только лишь воды, да и металла, может показаться, что резервы исчерпаны. А ведь нужно-то малость: чтоб поле температур в цилиндре при сгорании было как можно более равномерным, а горючее сгорало очень много и при всем этом может быть резвее, так как догорание на такте расширения неэффективно. Еще условие: лучше избежать появления зон с температурами выше 2000°С - тут диссоциируют молекулы Н2О и СО2, отбирая энергию и снижая КПД. Да и низкой температура быть не может - снизится давление в цилиндре и опять-таки КПД. Ловушка? Не совершенно.
ГУБКА В ЦИЛИНДРЕ
Основная проблема дизеля, которую еще никто не решил, это противоречие меж понижением выброса сажи и окислов азота: улучшая один из характеристик, безизбежно ухудшаем другой. Естественно, отчасти выручает каталитический нейтрализатор, но это вещь дорогая, да к тому же с течением времени забивается частичками сажи, увеличивает сопротивление на выпуске...
В общем, дизелестроителям крайне нужен был свежайший взор на делему. Его-то искрометно показали доктор из института в Эрлангене под Нюрнбергом Франц Дурст и польский инженер Мирослав Вечлас. В итоге более чем десятилетних исследовательских работ процесса сгорания они сообразили: ключ к решению кроется в увеличении на порядок скорости распространения фронта пламени в цилиндре и наличии равномерного температурного поля без зон локального перегрева. Так родилась необыкновенная мысль: впрыскивать горючее не в пустую камеру сгорания, а в заполненную трехмерной пространственной структурой, которая обладала бы теплоемкостью и теплопроводимостью, сопоставимыми с существующими для твердого тела. Но, позвольте, как тогда будет двигаться поршень? Да по-прежнему, ведь эта "решетка" разместится над ним в углублении головки блока цилиндров.
Сейчас осталось "только" подобрать подходящую "пену", которая бы выдерживала температуру порядка 1500°С и имела открытые ячейки размером более 3-х мм. Таким материалом оказался карбид кремния. "Губку" из него вклеили в камеру сгорания экспериментального дизельного мотора. (Заметим в скобках, что на долю самого материала пришлось всего 10% объема камеры - остальное поры). И вот одноцилиндровый дизелек заработал, при этом безо всякой электроники. 1-ое, что ринулось "в уши", - это практически полное отсутствие шума от вспышек горючего. Еще важнее оказалась необыкновенная чистота выхлопных газов: уровень выброса окислов азота был на пределе чувствительности устройств и это без всяких ухищрений типа неоднократного впрыска, рециркуляции выхлопных газов...
Так как горючее сейчас попадало на умеренно прогретую до 1300°С глиняную губку, интенсивно "завихряясь" в ее порах, оно сгорало фактически стопроцентно, так что ни о каком черном дыме и речи не было! При этом состав консистенции варьировался в широких границах, прямо до стехиометрического. Сейчас струю горючего не надо выкидывать далековато в цилиндр (она все равно тормозится в глиняном наполнителе), а поэтому отпала надобность в сверхвысоком давлении в форсунках. Ну и размер микрокапелек закончил играть существенную роль.
Для более "продвинутых" читателей приведем любознательные диаграммы. В координатах температура-энтропия показан рабочий цикл дизельного мотора. Желтоватым обозначен на теоретическом уровне безупречный (и недосягаемый в реальном движке) цикл Карно. Фигура 1-2-3-4-1 - цикл обычного сейчас мотора. А 1-5-6-7-8-1 относится к придуманному движку (см. схему работы, в). Ну и что? - спросите вы. Оказывается, отношение площади фигуры к суммарной площади ее и под ней как раз и определяет КПД!
Отметим еще одну изюминку нового изобретения. Пена из карбида кремния совершенно подходит для напыления на нее платины. Для чего? А это, если экологи и далее будут бушевать. Катализатор окажется расположенным... прямо в цилиндре, в месте сгорания горючего. Так как температура там существенно ниже 1769°С, плавящих этот металл, напыленный слой будет отлично биться с остатками вредных веществ.
Патенты получены, сейчас дело за большими производителями авто движков. И не только лишь дизельных. Оказывается, мысль может быть использована и для бензиновых моторов. Исследования в самом разгаре.