Особенности двигателей внутреннего сгорания

Категория:

   Устройство и работа двигателя

Публикация:

   Особенности двигателей внутреннего сгорания

Читать далее:

   Из истории развития двигателестроения

Особенности двигателей внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному типу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:

двигатели внешнего сгорания — паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т. п. Из двигателей этой группы в учебнике рассмотрены только двигатели Стирлинга, так как их конструкции близки конструкциям двигателей внутреннего сгорания;

двигатели внутреннего сгорания. В двигателях внутреннего сгорания процессы сжигания топлива, выделения теплоты и преобразования части ее в механическую работу происходят непосредственно внутри двигателя. К таким двигателям относятся поршневые и комбинированные двигатели, газовые турбины и реактивные двигатели.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Принципиальные схемы двигателей внутреннего сгорания показаны на рис. 1.

У поршневого двигателя (рис. 1,а) основными деталями являются: цилиндр крышка (головка) цилиндра; картер поршень; шатун; коленчатый вал впускные и выпускные клапаны. Топливо и необходимый для его сгорания воздух вводятся в объем цилиндра двигателя, ограниченный днищем крышки, стенками цилиндра и днищем поршня. Образующиеся при сгорании газы высокой температуры и давления давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня через шатун преобразуется во вращательное коленчатым валом, расположенным в картере. В связи с возвратно-поступательным движением поршня сгорание топлива в поршневых двигателях возможно лишь периодически последовательными порциями, причем сгоранию каждой порции должен предшествовать ряд подготовительных процессов.

В газовых турбинах (рис. 1, б) сжигание топлива происходит в специальной камере сгорания. Топливо в нее подается насосом через форсунку. Воздух, необходимый для горения, нагнетается в камеру сгорания компрессором, установленным на одном валу с рабочим колесом газовой турбины. Продукты сгорания через направляющий аппарат поступают в газовую турбину.

Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток специального профиля, расположенных на диске и образующих вместе с последним вращающееся рабочее колесо, может работать с высокой частотой вращения. Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов лопаток (многоступенчатые турбины) позволяет более полно использовать энергию горячих газов. Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при работе с неполной нагрузкой, и, кроме того, отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной их непрерывной работой в среде газов с высокой температурой. При снижении температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Газовые турбины широко используются в качестве вспомогательных агрегатов в поршневых и реактивных двигателях, а также как самостоятельные силовые установки. Применение жаростойких материалов и охлаждения лопаток, усовершенствование термодинамических схем газовых турбин позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.

Рис. 1. Схемы двигателей внутреннего сгорания

В жидкостных реактивных двигателях (рис. 1, в) жидкое топливо и окислитель тем или иным способом (например, насосами) подаются под давлением из баков в камеру сгорания. Продукты сгорания расширяются в сопле и вытекают в окружающую среду с большой скоростью. Истечение газов из сопла является причиной возникновения реактивной тяги двигателя.

Положительным свойством реактивных двигателей следует считать то, что реактивная тяга их почти не зависит от скорости движения установки, а мощность ее возрастает с увеличением скорости поступления в двигатель воздуха, т. е. с повышением скорости движения. Это свойство используют при применении турбореактивных двигателей в авиации. Основные недостатки реактивных двигателей — относительно низкая экономичность и сравнительно небольшой срок службы.

Комбинированными двигателями внутреннего сгорания называются двигатели, состоящие из поршневой части и нескольких компрессионных и расширительных машин (или устройств), а также устройств для подвода и отвода теплоты, объединенных между собой общим рабочим телом. В качестве поршневой части комбинированного двигателя используется поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Энергия в такой установке передается потребителю валом поршневой части, или валом другой расширительной машины, или обоими валами одновременно. Число компрессионных и расширительных машин, их типы и конструкции, связь их с поршневой частью и между собой определяются назначением комбинированного двигателя, его схемой и условиями эксплуатации. Наиболее компактны и экономичны комбинированные двигатели, в которых продолжение расширения выпускных газов поршневой части осуществляется в газовой турбине, а предварительное сжатие свежего заряда производится в центробежном или осевом компрессоре (последний пока не получил распространения), причем мощность потребителю обычно передается через коленчатый вал поршневой части.

Поршневой двигатель и газовая турбина в составе комбинированного двигателя удачно дополняют друг друга: в первом наиболее эффективно в механическую работу преобразуется теплота малых объемов газа при высоком давлении, а во второй наилучшим образом используется теплота больших объемов газа при низком давлении.

Комбинированный двигатель, одна из широко распространенных схем которого показана на рис. 2, состоит из поршневой части, в качестве которой используется поршневой двигатель внутреннего сгорания, газовой турбины и компрессора. Выпускные газы после поршневого двигателя, имеющие еще высокие температуру и давление, приводят во вращение лопатки рабочего колеса газовой турбины, которая передает крутящий момент компрессору. Компрессор засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением нагнетает его в цилиндры поршневого двигателя. Увеличение наполнения цилиндров двигателя воздухом путем повышения давления на впуске называют наддувом. При наддуве плотность воздуха повышается и, следовательно, увеличивается свежий заряд, заполняющий цилиндр при впуске, по сравнению с зарядом воздуха в том же двигателе без наддува.

Для сгорания топлива, вводимого в цилиндр, требуется определенная масса воздуха (для полного сгорания 1 кг жидкого топлива теоретически необходимо около 15 кг воздуха). Поэтому чем больше воздуха поступит в цилиндр, тем больше топлива можно сжечь в нем, т. е. получить большую мощность.

Основные преимущества комбинированного двигателя — малые объем и масса, приходящаяся на 1 кВт, а также высокая экономичность, часто превосходящая экономичность обычного поршневого двигателя.

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое применение в транспортной и стационарной энергетике. Они имеют достаточно большой срок службы, сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, высокую экономичность, их характеристики хорошо согласуются с характеристиками потребителя. Основным недостатком двигателей следует считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя.

Рис. 2. Схема комбинированного двигателя

В учебнике рассматриваются поршневые и комбинированные двигатели внутреннего сгорания, получившие широкое распространение.

Назначение и устройство двигателя внутреннего сгорания

Более сотни лет в качестве силовых установок большинства машин и механизмов используются двигатели внутреннего сгорания. В начале 20-го века они заменили собой паровой мотор внешнего сгорания. ДВС сейчас является самым экономичным и эффективным среди прочих моторов. Давайте рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания.

История создания

История этих агрегатов началась примерно 300 лет назад. Именно тогда Леонардо Да Винчи разработал первый чертеж примитивного двигателя. Разработка этого агрегата дала толчок к сборке, испытаниям и постоянному совершенствованию ДВС.

В 1861 году по чертежам, которые оставил миру Да Винчи, создали первый двухтактный мотор. Тогда еще никто и не думал, что подобными установками будут комплектоваться все автомобили и другая техника, хотя тогда использовались паровые агрегаты на железнодорожной технике.

Теория ДВС на практике

В наше время количество автомобилей, которые заполняют дороги, постоянно увеличивается, и при этом…

Первым, кто стал использовать ДВС на автомобилях, стал Генри Форд. Он первым написал книгу об устройстве и работе ДВС. Форд стал первым, кто вычислял КПД этих двигателей.

Классификация ДВС

В процессе развития усложнялось и устройство двигателя внутреннего сгорания. Назначение его при этом оставалось прежним. Можно выделить несколько основных видов ДВС, которые являются наиболее эффективными сегодня.

Первые по эффективности и экономичности – поршневые установки. В этих агрегатах энергия, образовавшаяся от сгорания топливной смеси, превращается в движение через систему из шатунов и коленчатого вала.

Общее устройство двигателя внутреннего сгорания карбюраторного ничем не отличается от других моторов. Но горючая смесь приготавливается непосредственно в карбюраторе. Впрыск осуществляется в общий коллектор, откуда под воздействием разряжения смесь попадает в цилиндры, где затем загорается от электрического разряда на свече.

Знаете ли вы из чего состоит автомобиль: схема и описание

Есть водители, которые ездят на своих машинах, но совершенно не знают из чего состоит автомобиль….

Инжекторный двигатель отличается от карбюраторного тем, что топливо подается в каждый цилиндр непосредственно через отдельные форсунки. Затем после того, как бензин смешается с воздухом, топливо поджигается от искры свечи.

Дизельный мотор отличается от бензиновых. Рассмотрим кратко устройство дизельного двигателя внутреннего сгорания. Здесь для воспламенения не используются свечи. Данное топливо загорается под воздействием высокого давления. В результате дизель нагревается. Температура превышает температуру горения. Впрыск осуществляется посредством форсунок.

К ДВС относят и роторно-поршневые двигатели. В этих агрегатах тепловая энергия от сгорания топлива воздействует на ротор. Он имеет особенную форму и специальный профиль. Траектория движения ротора – планетарная (элемент находится внутри специальной камеры). Ротор одновременно выполняет огромное количество функций – это газораспределение, функция коленчатого вала и поршня.

Существуют и газотурбинные ДВС. В этих агрегатах тепловая энергия преобразуется через ротор с клиновидными лопатками. Затем эти механизмы заставляют турбину вращаться.

Самыми надежными, не требующими частого обслуживания и экономичными считаются поршневые моторы. Роторные практически не используют в массовой автомобильной технике. Сейчас модели автомобилей, оснащенных роторно-поршневыми двигателями, выпускает только японская “Мазда”. Опытные авто с газотурбинными моторами в 60-х годах выпускал “Крайслер”, и после этого больше к этим установкам не возвращался ни один автопроизводитель. В Советском Союзе газотурбированными моторами недолго оснащали некоторые модели танков и десантных кораблей. Но затем было решено отказаться от таких силовых агрегатов. Именно поэтому мы рассматриваем устройство двигателя внутреннего сгорания – они наиболее популярны и эффективны.

Двигатели мотоциклов: устройство, принцип работы,…

Начинающие водители иногда думают, что самое главное качество, которое имеют двигатели мотоциклов,…

Устройство ДВС

В корпусе мотора объединено несколько систем. Это блок цилиндров, в котором и находятся те самые камеры сгорания. В последних сгорает топливная смесь. Также двигатель состоит из кривошипно-шатунного механизма, призванного превращать энергию движения поршней во вращение коленчатого вала. В корпусе силового агрегата имеется и газораспределительный механизм. Его задача — обеспечивать своевременное открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов. Двигатель не сможет работать без системы впрыска, зажигания, а также без выхлопной системы.

При запуске силового агрегата в цилиндры через открытые впускные клапаны подается смесь топлива и воздуха. Затем она воспламеняется от электрического разряда на свече зажигания. Когда смесь воспламенится и газы начнут расширятся, увеличится давление на поршень. Последний приведется в движение и заставит вращаться коленчатый вал.

Устройство и работа двигателя внутреннего сгорания таковы, что мотор работает определенными циклами. Эти циклы постоянно повторяются с высокой частотой. За счет этого обеспечивается непрерывное вращение коленчатого вала.

Принцип действия двухтактных ДВС

Когда мотор запускается, поршень, который приводится в движение посредством вращения коленвала, начинает двигаться. Когда он достигнет самой нижней своей точки и начнет двигаться вверх, в цилиндр подается топливо.

При движении вверх поршень сжимает смесь. Когда он достигнет верхней мертвой точки, то свеча за счет электрического разряда воспламеняет смесь. Газы моментально расширяются и толкают поршень вниз.

Затем открывается выпускной клапан цилиндра, и продукты сгорания выходят из цилиндров в выхлопную систему. Затем, снова дойдя до нижней точки, поршень начнет двигаться вверх. Коленчатый вал сделает один оборот.

Когда начнется новое движение поршня, впускные клапаны снова откроются, и будет подана топливная смесь. Она займет весь объем, который занимали продукты сгорания, и цикл повторится снова. За счет того, что поршни в таких двигателях работают только в двух тактах, совершается меньше движений, в отличие от четырехтактного ДВС. Снижаются потери на трение деталей. Но эти моторы сильнее нагреваются.

В двухтактных силовых агрегатах поршень также играет роль газораспределительного механизма. В процессе движения открываются и закрываются отверстия для впуска топливной смеси и выпуска отработанных газов. Худший газообмен в сравнении с четырехтактными моторами – это основной недостаток таких двигателей. В момент выпуска отработанных газов значительно теряется мощность.

На данный момент двухтактные двигатели применяются в мопедах, скутерах, лодках, бензиновых пилах и на другой маломощной технике.

Четырехтактный

Устройство двигателя внутреннего сгорания такого типа немного отличается от двухтактного. Принцип работы тоже немного другой. На одно вращение коленчатого вала приходится четыре такта.

Первым тактом является подача горючей смеси в цилиндр двигателя. Мотор под воздействием разряжения всасывает смесь в цилиндр. Поршень в цилиндре в этот момент направляется вниз. Впускной клапан открыт, и распыленный бензин вместе с воздухом попадет в камеру сгорания.

Далее идет такт сжатия. Впускной клапан закрывается, а поршень двигается по направлению вверх. При этом смесь, находящаяся в цилиндре, значительно сжимается. По причине давления смесь нагревается. Давлением повышается концентрация.

Далее следует третий рабочий такт. Когда поршень почти доходит до своего верхнего положения, срабатывает система зажигания. На свече проскакивает искра, и смесь воспламеняется. Из-за мгновенного расширения газов и распространения энергии взрыва, поршень под давлением движется вниз. Данный такт в работе четырехтактного мотора основной. Прочие три такта не влияют на создание работы и являются вспомогательными.

На четвертом такте начинается фаза выпуска. Когда поршень достигает низа камеры сгорания, открывается выпускной клапан и отработанные газы выходят сначала в выхлопную систему, а затем в атмосферу.

Вот такое устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания четырехтактного, который установлен под капотами большинства автомобилей.

Вспомогательные системы

Мы рассмотрели устройство двигателя внутреннего сгорания. Но любой мотор не смог бы работать, если бы не был оснащен дополнительными системами. О них мы расскажем ниже.

Зажигание

Эта система – часть электрического оборудования. Она предназначена для формирования искр, которые поджигают топливную смесь.

Система включает в себя АКБ и генератор, замок зажигания, катушку, а также специальное устройство – распределитель зажигания.

Впускная система

Она необходима для того, чтобы в мотор без каких-либо перебоев поступал воздух. Кислород необходим для образования смеси. Сам по себе бензин гореть не будет. Нужно отметить, что в карбюраторах впуск представляет собой только фильтр и воздуховоды. Впускная система современных авто более сложная. Она включает в себя воздухозаборник в виде патрубков, фильтр, дроссельную заслонку, а также впускной коллектор.

Система питания

Из принципа устройства двигателя внутреннего сгорания мы знаем, что мотору нужно что-то сжигать. Это бензин или дизельное топливо. Система питания обеспечивает подачу горючего в процессе работы мотора.

В самом примитивном случае данная система состоит из бака, а также топливной магистрали, фильтра и насоса, которые обеспечивает подачу горючего в карбюратор. В инжекторных автомобилях система питания контролируется ЭБУ.

Смазочная система

В смазочную систему входит масляный насос, поддон, фильтр для очистки масла. В дизельных и мощных бензиновых силовых агрегатах также имеется радиатор для очистки смазки. Насос приводится в действие от коленчатого вала.

Заключение

Вот что представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Устройство и принцип действия его мы рассмотрели, и теперь понятно, как работает автомобиль, бензопила или дизельный генератор.

Кончина двигателя внутреннего сгорания

Энергия, устойчивость

Ford Model T не положил конец лошадям, но заменил их в качестве основного транспортного средства Америки. Как люди по-прежнему любят лошадей и катаются на них, так и люди будут любить и кататься на своих старых драндулетах. Но начиная с 2035 года купить новый в Калифорнии будет нельзя. Правительство штата Калифорния прекращает их продажу. Как сообщили Корал Дэвенпорт, Лиза Фридман и Брэд Плумер в New York Times  на прошлой неделе:

«Правило, изданное Калифорнийским советом по воздушным ресурсам, требует, чтобы все новые автомобили, продаваемые в штате, к 2035 году были свободны от выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ. Правило также устанавливает промежуточные цели, требуя, чтобы 35 процентов новых легковых автомобилей, проданных к 2026 году, производили нулевые выбросы. К 2030 году эта потребность вырастет до 68 процентов. Транспорт является главным источником выбросов парниковых газов, вызывающих потепление планеты».

Калифорнийское правило разрешено в соответствии с отказом от Закона о чистом воздухе, впервые установленным как часть исторического федерального закона о воздухе, принятого в 1970 году. Способность Калифорнии в течение полувека превышать федеральные требования была устранена Дональдом Трампом, но недавно восстановлена ​​​​Джо Байденом. Около дюжины штатов обычно следуют примеру Калифорнии, усиливая влияние этого захватывающего шага со стороны этого новаторского штата.

Как и следовало ожидать, есть противники этого ущемления свободы. Некоторые определили препятствия для реализации: электросеть будет перегружена, зарядных станций не хватает, электромобили слишком дороги, калифорнийцы просто поедут в Неваду покупать свои машины. Препятствия бесконечны.

Обязательно найдутся люди, которые не будут соблюдать это правило. Но все эти препятствия не имеют значения. На пути будут ухабы, но электромобили вытеснят современные автомобили, потому что они основаны на более совершенной технологии. Вот почему автомобиль заменил лошадь. Нельзя было просто поставить лошадь и уйти. Им нужна была еда, вода, чистое стойло, ласка и даже лекарства. Для содержания лошадей требовалось больше ресурсов, и они были не такими удобными и мощными, как двигатель внутреннего сгорания. Изначально конюшен было больше, чем заправок, но со временем это изменилось. Мы увидим ту же трансформацию с зарядными станциями, заменяющими заправочные станции. Конечно, каждая проблема с электромобилями будет усугубляться социальными сетями и 24-часовым циклом новостей, фактом современной жизни, с которым Генри Форду не приходилось сталкиваться. (Срочные новости: у модели Т закончился бензин! Водитель жалеет, что не продал свою лошадь!)

Электромобили сейчас дороже, но со временем они станут конкурентоспособными по цене. За время своего существования они уже дешевле, но вскоре даже розничная или капитальная стоимость электромобиля будет такой же низкой, как у автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поскольку электромобиль питается от возобновляемых источников энергии, стоимость топлива будет низкой и предсказуемой. Электромобили требуют меньше обслуживания и имеют меньше движущихся частей. Самое главное, производители автомобилей видят огромные возможности для бизнеса в замене американского автопарка, и они уже сделали ставку на это. Они инвестируют миллиарды в электромобили. Согласно Давенпорту, Фридману и Плюмеру: 

«Несколько автопроизводителей заявили, что их стратегии соответствуют цели Калифорнии по продвижению автомобилей без вредных выбросов. General Motors заявила, что все еще пересматривает правило, но у компании также есть цель продавать только электромобили к 2035 году. «У General Motors и Калифорнии общее видение полностью электрического будущего», — сказала Элизабет Винтер, пресс-секретарь G.M. Директор Ford по устойчивому развитию Боб Холикросс заявил, что к 2026 году компания планирует инвестировать более 50 миллиардов долларов в электромобили и аккумуляторы, и сказал, что это правило «подаст пример Соединенным Штатам». Представитель Stellantis, которой принадлежат Chrysler, Fiat, Dodge и другие бренды, заявил, что к 2030 году компания намерена представить 25 новых электрических моделей, чтобы поддержать цели Калифорнии».

На самом деле, автомобильные компании рады тому, что риск, на который они шли, инвестируя в электромобили, теперь выглядит гораздо более надежной ставкой, чем до того, как Калифорния приняла меры. Электромобили, которые они продают, будут включать более дешевые модели, но их первоначальные предложения включают грузовики, такие как Ford Lightning 150, спортивные автомобили, внедорожники и другие популярные модели высокого класса. Они не просят своих клиентов жертвовать функциями, а активно разрабатывают новые причудливые варианты, использующие преимущества новой технологии.

Я вижу в этом шаблон для перехода к экономике, основанной на возобновляемых ресурсах: используйте технологии, чтобы смягчить наихудшее воздействие потребительских технологий на планету, но продолжайте развивать и продавать функции, которые нужны людям. Материалы, используемые в автомобиле, в конечном итоге должны быть переработаны, когда срок службы автомобиля закончится. Мы уже видим это на примере редкоземельных минералов, используемых в батареях, шинах и алюминии. Самое главное — изменить образ устойчивого развития с унылой жертвы на захватывающие новые продукты, функции и услуги. Автомобильные компании, кажется, делают именно это.

Другой примечательной особенностью шага Калифорнии является положительное влияние регулирования на развитие технологий. Эти новые правила не «работа- убивает », а работа- создает стимул . Мы наблюдали это на протяжении десятилетий с автомобилями. Автоматическое регулирование сначала было сосредоточено на безопасности, требуя ремней безопасности, а затем и подушек безопасности. Затем регулирование было сосредоточено на борьбе с загрязнением окружающей среды с помощью каталитических нейтрализаторов и улучшенного расхода бензина. Что произошло? Как только инженеры поняли, как соблюдать правила, у них появилось время, и они начали улучшать автомобили. Они использовали более легкие материалы, заменили механические части электроникой, они превратили наши автомобили в мобильные компьютеры с невероятным набором функций от датчиков, которые не позволяли вам врезаться в другие автомобили, до сигналов тревоги, которые напоминали вам о том, что на борту находится ребенок. Аккумуляторы и время зарядки, необходимые для электромобилей первого поколения, в конечном итоге будут заменены аккумуляторами с большим запасом хода и более быстрой перезарядкой. Мы уже видели, как эти улучшения начинаются.

Федеральная политика, подобная той, что создала систему автомагистралей между штатами, застраховала жилищную ипотеку и сделала проценты по ипотечным кредитам и налоги на недвижимость вычитаемыми, стимулировала модели развития землепользования в основном в пригородах Америки. Частный сектор построил пригороды в ответ на государственную политику в виде федеральных стимулов. Несмотря на то, что есть некоторые шаги по строительству пешеходных городов и заселению городов, наша общая схема освоения земель требует использования личного транспорта. Это не исчезнет, ​​и многие американцы предпочитают такой образ жизни. Как житель Манхэттена, я предпочитаю что-то другое, но для многих американцев то, как живут люди в моем районе, кажется загадкой. Я помню, как однажды брал интервью у кандидата на должность преподавателя, которому было искренне любопытно, как я добираюсь домой из магазина с продуктами и химчисткой без машины и подъездной дороги. В дни перед Amazon Prime я указал на человека, который ехал на велосипеде с корзиной для доставки, и сказал: «Вот чьи-то продукты».

Нам необходимо строить экологическую устойчивость на той базе, которая у нас есть, и признать привлекательность образа жизни, который предпочитают многие люди. Калифорния построена на автомобилях, пригородах и автострадах. Я могу найти 12-полосное шоссе ужасающим, но калифорнийцы относятся к нему спокойно. Но за последние полвека именно это государство лидирует в очистке нашего воздуха. Они делают это снова с изменением климата и с электромобилями. Еще до этого нового правила в прошлом году 12% всех новых автомобилей, проданных в Калифорнии, были электрическими, а в этом году этот процент превышает 16%. Около миллиона домохозяйств в Калифорнии имеют солнечные батареи. Электромобиль — это один из элементов системы домашнего хозяйства и транспорта, который когда-нибудь будет менее разрушительным для окружающей среды, чем сегодняшняя система. Калифорния доберется туда первой, и ей нужно будет научить мир тому, как выполнять эту работу.

Теги:

КалифорнияCalifornia Air Resource BoardэлектромобилиMS in Sustainability Management NewsViewpoints

Можно ли запустить двигатель внутреннего сгорания в космосе?

| Car Design

Это не такой глупый вопрос, как вы могли подумать, поэтому мы вызвали экспертов.

Когда мы писали об усилиях GM по отправке автомобиля обратно на Луну с использованием той же технологии электрической трансмиссии, что и у Hummer EV, пользователь на нашей странице в Facebook заявил, что это имеет смысл, потому что «двигатель не будет работать. в космосе.» Хотя было бы легко проигнорировать такой комментарий, мы решили, что будет интереснее выяснить, действительно ли двигатель внутреннего сгорания (или ДВС) не может работать в космосе. Просто чтобы убедиться, что мы не говорим из-за задницы, мы также задали вопрос исследователям и профессорам Калифорнийского политехнического государственного университета, или сокращенно Калифорнийского политехнического университета.

Что вообще делают двигатели?

Лучше всего начать с переподготовки или, возможно, нового урока для тех, кто не знает, что и как делает движок. Простейшая идея состоит в том, что двигатель создает свою собственную мощность посредством «рабочей жидкости» для создания движения. Рабочее тело — это газ или жидкость, которые в первую очередь передают силу, движение или механическую энергию. Мы знаем, что трудно думать о газе как о «жидкости», но в мире науки газ рассматривается как жидкость во многих отношениях. Если бы это было не так, мы бы не поняли, как работают ни аэродинамика, ни пневматические клапаны, не говоря уже о том, чтобы смоделировать их.

Это определение объясняет, почему двигатель отличается от двигателя, которому для создания движения требуется питание от внешнего источника, то есть: электродвигателю для создания движения требуется питание от батареи или другого источника электроэнергии. Однако непрофессионал может использовать слова «мотор» или «двигатель» как синонимы, когда речь идет о движении транспортного средства. Для целей этой статьи мы будем использовать слово «двигатель» только для описания двигателя и не будем менять их местами.

Буква «C» в ICE

Горение – это процесс, при котором топливо сжигается с окислителем при определенном соотношении каждого из них. Это сгорание создает тепло, которое вызывает расширение газов в нашем цилиндре — нашей рабочей жидкости. Это все, что представляет собой сгорание, и именно поэтому большинство людей, когда их спросят, объяснят, почему двигатель не будет работать в космосе.

В космосе нет кислорода, и это вакуум, который высосет топливо до того, как оно сгорит, так что это не должно работать. Чего они не задают себе перед тем, как ответить на этот вопрос, так это «почему ракета работает в космосе, а ДВС не может?» Теперь, когда вы, вероятно, задали этот вопрос, мы можем правильно начать эту статью.

Сосать, хлюпать, хлопать, дуть в космос!

Мы обратились в Калифорнийский Политехнический институт, чтобы помочь нам с этим мысленным экспериментом по ДВС в космосе, и профессору машиностроения Патрику Лемье, доктору философии, физкультуре; и профессор аэрокосмической техники Дайан Дж. ДеТуррис, доктор философии, были рады помочь нам и изложить всю теорию и объяснения по этой теме. Мы были счастливы получить их помощь — эти двое изучают и едят машиностроение и аэрокосмическую технику для развлечения и в качестве карьеры.

Короткий ответ заключается в том, что ДВС можно запускать в космосе, несмотря на холод (до определенной степени — без каламбура) и вакуум в окружающей среде. Когда дело доходит до того, как работает сгорание, все то же самое для бензиновых и жидкостных ракет, это просто количество каждой жидкости, необходимое для достижения этого сгорания вместе с окислителем и событием воспламенения, чтобы все началось.

Для большинства ракетных двигателей, работающих на жидком топливе, воспламенение создается с помощью воспламенителя факела, но в других ракетных смесях с кислородом используется гиперголическое (самовоспламеняющееся) топливо, закачиваемое в их камеры сгорания, свечи зажигания (да, такие, как в вашем автомобиле), или — в случае с ракетой «Союз» — «спички-переростки», сделанные из пиротехнических ракет, закрепленных на березовых шестах. После воспламенения топливо сгорает, расширяется и приводит в движение объект, к которому привязан двигатель. Двигатель внутреннего сгорания делает то же самое, за исключением того, что расширяющиеся газы толкают поршень вниз, создавая энергию вращения на коленчатом валу.

Ракета, ДВС, взрыв одинаковый

«Разница заключается в том, что вы делаете с произведенной энергией, — говорит профессор ДеТуррис. — Ракета использует энергию для создания тяги в сужающемся и расширяющемся сопле, но ICE использует энергию для создания вращения. Любая из этих вещей может быть выполнена в вакууме, — однако, — отмечает она, — вам просто нужно учитывать температуру окружающей среды при разработке вашего приложения, и это может легко повлиять на материалы, которые вы используете в своей работе. пространство.» Одна из таких проблем связана с отсутствием кислорода, металлы легко сваривать в холодном состоянии. Это явление, связанное с вакуумом, позволяет металлам соединяться без плавления и нагревания, что в прошлом было проблемой для астронавтов и спутников. Однако современные материалы и лучшее понимание этого явления привели нас к материалам, более подходящим для космоса и предотвращающим холодную сварку.

«Вы также можете почувствовать, как это влияет на вещи, — говорит профессор Лемье, — рассмотрев двигатели небольших винтовых самолетов авиации общего назначения». «Автомобили без наддува, конечно, видят резкое падение атмосферного давления, когда они стабильно набирают высоту, и это связано с падением производительности, и поэтому «плотная высота» является таким важным параметром как для двигателей, так и для самолетов». Вот почему эти двигатели ограничены по высоте без добавления турбокомпрессора или нагнетателя, чтобы нагнетать больше воздуха, как в высокомощном автомобильном двигателе. Давление наддува означает, что при сжигании бензина нужно использовать больше воздуха.

Получение кислорода

Профессор Лемье также объясняет, что, хотя может показаться, что двигатель вообще не будет работать в полном вакууме, это возможно, если вы сможете поставить окислитель. «Тогда это, безусловно, так. Если бы вы полагались на окружающую среду в качестве источника окислителя, это бы не сработало», — добавляет он. Если бы вы разработали инжектор окислителя для работы с закрытой камерой, вы могли бы даже сохранить те же конструкции клапанного механизма, которые мы сейчас используем в двигателях. Или вы можете проявить новаторство и удалить всю систему впуска и порт, заменив их прямым инжектором жидкого кислорода.

Питание мощного ракетного двигателя

Использование форсунки окислителя похоже на то, как это делают сейчас жидкостные ракеты, просто форсунка ракеты обычно не работает так, как форсунки в ДВС. Насосы для жидкого кислорода и жидкого топлива ракеты во многом похожи на турбокомпрессор и называются турбонасосами. Разница, как правило, заключается в том, что вместо использования выхлопных газов для привода турбины он использует гравитацию и тянет жидкое топливо вниз для привода турбины. Крыльчатка, прикрепленная к этой турбине, сжимает каждую жидкость перед отправкой ее в основную камеру сгорания ракеты.

Есть и другие, которые используют газогенератор для привода крыльчатки (работает так же, как турбокомпрессор), а в последнее время были попытки привести турбину в движение с помощью электродвигателя («электрическая ракета», о которой вы, возможно, слышали, при условии, что вы небрежно рыщете по достижениям ракетостроения). То, как это делается, просто зависит от производителя ракеты и даже от параметров конкретной миссии, которую выполняет ракета.

Топливо под давлением подается в главный клапан, который открывается и закрывается, контролируя подачу топлива к форсунке. То, что на самом деле распыляет топливо, представляет собой пластину (или пару или набор пластин), заполненную точно просверленными отверстиями, как вы видите на конце бензиновой топливной форсунки. За исключением того, что, в отличие от топливной форсунки вашего автомобиля, здесь нет штифта, который фактически контролировал бы количество топлива, поступающего в основную камеру сгорания. Все это управляется главными клапанами, которые управляют потоком, а не объемом.

Наконец, горючее воспламеняется, как мы упоминали ранее, и ракета отрывается от стартовой площадки или движется вперед в космосе. Чтобы поддерживать подачу топлива в гравитационные турбонасосы в космосе, без какого-либо отдельного механического или электрического насоса, ракета полагается на импульс, создаваемый ускорением для поддержания потока жидкого топлива и окислителя. Этот импульс создает своего рода искусственную гравитацию, которая выталкивает жидкости на дно резервуаров и постоянно питает турбонасосы. Многие из этих решений для подачи топлива и окислителя в ракетный двигатель могут быть применены к ДВС. Опять же, это просто вопрос того, что каждый двигатель делает с расширяющимися газами.

Проблема не в вакууме

Хотя вы можете подумать, что космический вакуум может создать проблемы, профессор Лемье объясняет, что поршневые кольца могут герметизироваться в вакууме. Имейте в виду, что эти кольца борются с огромной разницей давления расширяющегося газа по сравнению с атмосферным давлением, которое обычно испытывает двигатель. «То, что герметизируют поршневые кольца, — это не совсем абсолютное противодавление в картере, — объясняет профессор Лемье. содержимое СС по направлению к картеру».

Он также указывает, что даже когда двигатель работает на уровне моря, «между этими кольцами существует большая дельта P, которая постоянно изменяется в течение 4-тактного цикла», и они отлично герметизируют камеру на протяжении всего цикла. цикл. «Если тот же двигатель с турбонаддувом (или) с наддувом, — добавляет он, — дельта P может значительно увеличиться (скажем, более чем на 15 фунтов на квадратный дюйм), а кольца по-прежнему будут хорошо его герметизировать. Абсолютный 0 фунтов на квадратный дюйм в картере. , который является вашим сценарием, добавляет к этой дельте P не более 15 фунтов на квадратный дюйм. Так что здесь нет проблем».

Наилучший способ борьбы с обратным давлением

Эта вакуумная среда потенциально может быть преимуществом для ДВС. «Что касается механической стороны, — говорит профессор Лемье, — то здесь тоже все становится интереснее: отсутствие противодавления в выхлопных газах означает, что объемный КПД двигателя увеличится, поэтому характеристики двигателя, такие как среднее эффективное давление торможения (BMEP) и другие, увеличатся. подниматься.» Это также работает внутри картера, который, как он отмечает, «также упадет, а это означает, что перепад давления на поверхности поршня возрастет до одной атмосферы, что снова поднимет BMEP». Если вы видели девятый эпизод первого сезона «Мастеров двигателей», вы знаете, что двигатели всех типов нуждаются в уменьшении противодавления и что за счет его уменьшения можно получить мощность. Только представьте, какую мощность мог бы развить ваш двигатель при нулевом противодавлении в выхлопе или картере.

Все это говорит о том, что вакуум не является проблемой и что сгорание на самом деле не зависит от «сжатия». На самом деле это скорее хранилище энергии вращения, которая передается на трансмиссию через коленчатый вал. Однако это сжатие приводит к выделению тепла при сжатии газов, и вместе с искрой от свечи зажигания начинается преобразование бензина и кислорода в тепловое расширение этих газов.

Итак, что на самом деле делает такт сжатия?

Однако, если вы можете генерировать достаточно тепла от своей искры или даже использовать предварительный воспламенитель, ваша камера сгорания не нуждается в сжатии и будет продолжать работать. Были даже проведены испытания двигателей, в которых используется отдельная камера сгорания, которая подает расширяющиеся газы в цилиндр, чтобы заставить поршень двигаться вниз. Опять же, ракетный двигатель делает то же самое и не имеет поршня для создания сжатия. Вы также можете поджечь бензин вне двигателя, особенно легко, когда он находится в газообразном состоянии (дым).

Сжатие в любом поршневом двигателе — это способ накопления потенциальной энергии, которая будет использоваться для генерации энергии вращения посредством коленчатого вала. Неважно, двух- или четырехтактный он; бензин, дизель или любой другой вид топлива. Если топливо достаточно горячее, чтобы достичь воспламенения со своим окислителем, оно будет воспламеняться и расширяться до тех пор, пока не столкнется с чем-то и не сдвинет этот объект или не остановится, потому что этот объект требует большей силы, чем это расширение создает.

Дело не в топливе и окислителе, дело в весе

Помимо экстремального холода, который прямо сейчас может быть объяснен материалами (части в космосе тоже должны вращаться), почему мы не видим генераторы с питанием от ДВС для космической станции, марсохода Perseverance и будущие луноходы? Когда дело доходит до освоения космоса, есть два важных момента: вес и долговечность. Конечно, у нас есть возможность впрыскивать жидкости в камеры сгорания, хотя кислород является криогенной жидкостью и требует очень низких температур, чтобы оставаться в жидком состоянии, и это не проблема, поскольку мы можем делать это в ракетных двигателях так же, как с много видов топлива.

Возникают проблемы с доставкой этого топлива и окислителя в космос и тем, как вы могли бы их восполнить. Одна из основных проблем при выходе в космос заключается в том, что вам нужна большая скорость, чтобы выйти на орбиту, и даже больше, когда вы хотите выйти из-под гравитационного влияния Земли и попасть на другую планету. Вот почему вы видите, как во многих орбитальных и межпланетных миссиях используются материалы, сделанные из вещей, о которых мечтают производители гоночных автомобилей, таких как титан, углеродное волокно и другие сверхлегкие материалы.

По этой же причине многие космические и марсианские аппараты выглядят скелетонизированными, за исключением некоторых щитов из фольги для защиты термочувствительных частей. Если вам также нужно нести топливо и окислитель, вы должны учитывать эту массу в своей механике запуска и орбитальной механики, применяя больше энергии тяги для достижения космической скорости. Если вы имели дело с гоночным автомобилем, вы понимаете, к чему все идет. В противном случае большая тяга требует большей мощности, а это означает больше топлива и больше веса. Если бы вы могли дозаправиться на орбите — чего на момент написания этой статьи мы не могли — это не было бы проблемой. Поскольку мы не можем этого сделать, мы полагаемся на батареи, которые питаются от солнечной энергии для привода двигателей и силовой электроники наших космических кораблей и Международной космической станции (МКС).

Дополнительная заметка о марсоходе Perseverance

Нам пока неизвестны какие-либо ресурсы, которые позволили бы нам пополнить наше топливо или окислитель на Луне или Марсе. Именно этим Curiosity и Perseverance отличаются от других марсианских миссий: вместо того, чтобы полагаться только на солнечные панели для питания своих батарей, эти марсоходы размером с седан используют многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (MMRTG), по сути, миниатюрную атомную электростанцию.

Основное различие между вашей местной атомной электростанцией и MMRTG, помимо очевидной разницы в размерах, заключается в том, что вместо превращения воды в пар, который вращает турбину электрического генератора, используется эффект Зеебека. Самый простой способ описать эффект Зеебека состоит в том, что два непохожих, но электропроводящих материала создают электричество, применяя разницу температур на каждом конце этих материалов. По сути, это обратная сторона устройства Пельтье, используемого в охладителях сидений, где электрический ток проходит между этими двумя материалами и создает разницу температур в двух материалах, одна сторона горячее, а другая холоднее; это то, сколько автомобильных холодильников работают без фреона и компрессора. В общем, в ближайшее время мы не увидим марсоход с двигателем ICE или даже лунный багги.

Искры в местах, где живут астронавты

Некоторые из вас отмечают, что пожар в космосе — это плохо, вероятно, вспоминая Аполлон-1 и потерю Гаса Гриссома, Эда Уайта и Роджера Чаффи, когда они еще находились на стартовой площадке. для репетиции запуска. Вы также, без сомнения, слышали о предупреждениях о наличии пламени рядом с чистым кислородом и фотографиях сгоревших комнат и того хуже. Но, конечно же, кислород при отсутствии какого-либо источника топлива не представляет опасности возгорания. Однако верно, что любое топливо будет гореть интенсивнее в атмосфере чистого кислорода, чем на воздухе. Это потому, что азот, который составляет примерно 80 процентов воздуха, которым мы дышим, не является окислителем.

В современных космических кораблях и будущих космических станциях атмосфера такая же, как у нас на Земле: 20 процентов кислорода, 80 процентов азота. В переводе это означает, что пожароопасность на МКС такая же, как и здесь, на Земле, только очень-очень далеко от ближайшей пожарной части.

А как насчет побочного продукта сжигания топлива?

Если бы мы сохранили использование бензина и кислорода в качестве внутреннего источника топлива для ДВС, то выхлоп был бы проблемой в изолированной среде. Углекислый газ, оксид азота, несгоревшие углеводороды и другие твердые частицы должны быть отфильтрованы, чтобы создать безопасную среду, в которой человек мог бы работать. Было бы идеально, если бы все эти газы можно было просто выпустить в космос, но это было бы сложной задачей, а это означает, что более реалистичным вариантом использования генератора с питанием от ДВС был бы тот, который подвергается воздействию космической среды, просто как ракетный двигатель.

Если бы мы использовали альтернативное топливо, то их побочные продукты тоже нужно было бы фильтровать. Например, если бы мы использовали жидкий водород, побочным продуктом была бы вода со следами перекиси водорода и озона, поэтому пить ее прямо из выхлопной трубы было бы не очень приятно, но лучше, чем бензин. ДВС потребуется такая же защита от перепадов температуры при прохождении между Солнцем и планетой, но это можно легко решить с помощью обогревателей и тепловых покрытий.

Мы могли бы запустить ДВС в космосе, но…

Хотя двигатель внутреннего сгорания можно запустить в вакууме и в холодной космической среде, реальность такова, что это просто невозможно. Вес переноски топлива и окислителя является основным бременем, за которым следует проблема пополнения их запасов вне Земли. Это означает, что аккумуляторные, солнечные и ядерные источники энергии и генерация являются единственными надежными и устойчивыми источниками для космических станций и транспортных средств, которые нуждаются в энергии для приборов и даже для движения.

За исключением ракет, мы никогда не увидим аппарат для исследования планет с двигателем внутреннего сгорания. Подумай о своих мечтах о сладком лунном багги, работающем на бензине, который превратился в кристаллы льда, которые превратились бы в твои слезы в холодном космосе, по крайней мере, до тех пор, пока они не испарятся, встретившись с солнечным светом. Мрачно, да? Тем не менее, это вряд ли означает, что космический корабль должен быть скучным. Представьте себе полноприводный луноход мощностью 1000 л.с. с диким рулевым управлением, основанный на технологии Ultium от Hummer EV. Это, безусловно, было бы выполнимо.