КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя

Среди множества характеристик механизмов в автомобиле важное значение имеет КПД двигателя. Наверняка многие автовладельцы задаются вопросом: что собой представляет классический ДВС и его КПД, ведь от этого показателя напрямую зависит работа силового агрегата – чем он выше, тем эффективнее его работа. Сегодня самым эффективным считается электрический тип мотора, его КПД способен достигать 90-95 %, а вот двигатели внутреннего сгорания, будь то бензин или дизель, по этому значению далеки от идеала.

КПД двигателя – что это такое

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%.

Если материал был для вас интересен или полезен, опубликуйте его на своей странице в социальной сети:

Добавить комментарий

В начало страницы

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

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.

Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания

Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания

Повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания

Текущая ситуация с эффективностью:

ТОПЛИВО 100%

НАЖИМАНИЕ ПОРШНЕЙ 35%

ПРЕОДОЛЕНИЕ ТРЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ И ПРОКАЧКА ВОЗДУХА И ТОПЛИВА

(типичные условия движения в США) 20%

Мы застряли на ~20% эффективности автомобильного двигателя?

Что можно сделать?

1. Запустите двигатель на обедненной топливной смеси, то есть используйте избыток воздуха. Хорошо известно, что работа на обедненной топливной смеси повышает эффективность. В прежние времена в крейсерских условиях двигатели всегда работали на обедненной смеси с избытком воздуха около 15% — это было экономично. Так что же может изменить это? Проблема заключается в трехкомпонентном катализаторе (CO, UHC, NOx), используемом в выхлопных газах двигателя. Это работает только в том случае, если соотношение воздуха и топлива в двигателе (по массе) является стехиометрическим (химически правильным). Для бензина это соотношение составляет 14,6:1. Компьютер двигателя, действуя совместно с датчиком расхода воздуха двигателя, электронными топливными форсунками и датчиком кислорода в выхлопных газах, поддерживает стехиометрическое соотношение на протяжении большей части вашего вождения. Только при таком соотношении катализатор может окислять как CO, так и UHC (до CO ₂ и H ₂ O) и химически уменьшить NOx (до N ₂ ). (UHC = несгоревшие углеводороды.) Человечеству нужен катализатор бедных NOx. Тогда мы могли бы повысить эффективность и продолжать оставаться чистыми!

Также необходимы способы улучшения воспламеняемости обедненной смеси в бензиновых двигателях. То есть возможность сжигания настоящей обедненной смеси ограничена топливом. Если бензино-воздушная смесь слишком бедная, пламя не будет иметь достаточной скорости, чтобы пройти через цилиндр за время, разрешенное оборотами двигателя, которые хочет водитель, или пламя даже не запустит пропуски зажигания в цилиндре, и тогда катализатор сработает. окислять огромное количество UHC и, таким образом, может перегреться (что может означать, что вам придется купить новый катализатор).

Фон:

Первый курс термодинамики может научить эффективности цикла Отто (который является идеальным циклом, используемым для моделирования бензинового двигателя с искровым зажиганием). Такой курс выведет следующее уравнение для эффективности цикла Отто:

ч

= 1 1/r _v ^г-1


Степень сжатия двигателя r _v . На самом деле, это объемное соотношение. Это отношение объема цилиндра, когда поршень находится в нижней части цилиндра, к объему цилиндра, когда поршень находится в верхнем положении: r _v = V _нижний /V _{верхний} .

Степень сжатия большинства автомобильных двигателей находится в диапазоне от 9 до 10,5. Отметим: чем выше степень сжатия, тем выше КПД! Параметр g представляет собой отношение удельной теплоемкости, т. е. удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме. С практической точки зрения, чем выше g, тем выше эффективность. Такой газ, как гелий или аргон, состоящий только из атомов, имеет максимально возможное значение g, равное 1,67. С другой стороны, комнатный воздух, состоящий в основном из O 9Молекулы 0030 2 и N ₂ имеют g 1,4. Пары топлива имеют g меньше, чем у воздуха. Смесь воздуха и паров бензина, подаваемая в двигатель, имеет g около 1,35. Поскольку эта смесь сжимается и нагревается во время такта сжатия, ее g падает примерно до 1,33. При сгорании (когда поршень находится вблизи верхнего положения) топливо окисляется до CO ₂ (и некоторого количества CO) и H ₂ O, и g падает дальше. Он падает в диапазоне 1,20-1,25. Общий эффективный g для всего цикла для использования в приведенном выше уравнении эффективности составляет около 9.0003 1,27 .

Эмпирическое правило: чем больше сложность молекул, тем меньше g. Нижний предел равен 1. Атомы аргона и гелия только транслируют, то есть движутся по прямым траекториям, пока не столкнутся с другим атомом. Молекулы воздуха в помещении перемещаются и вращаются (около 2-х своих осей). Горячий воздух начинает вибрировать (как два ядра, соединенные пружинкой). Молекулы паров топлива имеют массу возможностей колебаться даже при комнатной температуре. Продукты сгорания вибрируют. Однако только перевод молекул ТОЛКАЕТ поршень. Другие режимы молекулярного движения ничего не делают для толкания поршня. Таким образом, когда g падает (что указывает на большую вибрацию молекул), h падает. Бедный двигатель (то есть двигатель с избытком воздуха) имеет более холодный процесс сгорания и больше воздуха по отношению к топливу, чем типичный двигатель с химически правильной смесью. Таким образом, его g выше, а его h больше.

Подставьте g = 1,27 в приведенное выше уравнение эффективности, примите r _v = 10, и вы получите h = 0,46. Умножьте это примерно на 0,75, чтобы учесть эффекты реального цикла (например, время, необходимое для сгорания, потери тепла в охлаждающую жидкость и выпускные клапаны, которые открываются до того, как поршень полностью достигнет нижнего положения), и вы получите h = 0,35. Это эффективность (приведенная выше) использования химической энергии топлива для толкания поршней. Умножьте это на механический КПД двигателя, который учитывает механическое трение в двигателе и работу по перекачиванию воздуха (и топлива), которую необходимо выполнить, и вы получите окончательный или общий КПД двигателя. Конечно, механический КПД зависит от условий вождения. Чем выше обороты двигателя, тем больше потери на трение. Чем сильнее закрыта дроссельная заслонка (т. е. чем дальше ваша нога от педали), тем выше насосные потери. Для типичного вождения в США результирующий общий КПД двигателя составляет около 20%. Обратите внимание: ваша педаль на самом деле не педаль газа, а педаль воздуха! Добавьте механические потери на трение в трансмиссии и главной оси (или потери на трение в трансмиссии) и расход нескольких основных аксессуаров, и вы получите 15% эффективности использования топлива на колесо для типичного автомобиля, эксплуатируемого в США.

2. Более высокая степень сжатия. Здесь мы ограничены самовоспламенением бензинового стука. То есть, если компрессия бензинового двигателя выше примерно 10,5, если только октановое число топлива не высокое, происходит детонационное сгорание. Это раздражает, и если оно не исчезает, может произойти повреждение двигателя. Таким образом, эффективность бензиновых двигателей ограничена неспособностью топлива плавно сгорать в двигателях с высокой степенью сжатия.

Однако это ограничение не распространяется на дизельный двигатель. Он работает с высокой степенью сжатия. Отчасти этим объясняется его высокая эффективность. Он также работает на обедненной смеси, и его насосная работа низка, что еще больше повышает его эффективность по сравнению с бензиновым двигателем. Человечеству нужны тихие, бездымные, без запаха дизеля!

3. Нам нужны новые циклы для практического использования. Примером может служить цикл Аткинсона. Это имеет меньшую степень сжатия, чем степень расширения. Это означает, что T _C уменьшается, так как продукты сгорания охлаждаются по мере расширения, что делает цикл эффективным. Мы выбрасываем меньше отработанного тепла через выхлоп.
4. Запустите двигатель в оптимальных условиях, что означает низкое трение (умеренные обороты двигателя) и малую работу насоса (дроссель воздушной заслонки более открыт). Постарайтесь приблизиться к эффективности «толкания поршней» в 35%. Это уже происходит в некоторых стационарных поршневых двигателях, больших, тихоходных, поршневых двигателях, используемых, например, на трубопроводных компрессорных станциях. Также это важная характеристика двигателей, используемых в гибридных бензиново-электрических автомобилях. Пусть бензиновый двигатель гибридной бензино-электрической силовой установки работает только при хорошем открытии дроссельной заслонки и скромных оборотах. Пример одного типа имеющегося в продаже гибридного двигателя («параллельного» типа) можно найти по адресу: 9.0036

(

http://prius.toyota.com/technology/hybrid.html ).

Обратите внимание, что гибридная силовая установка также восстанавливает часть кинетической энергии транспортного средства, позволяя этому KE управлять электрическим генератором (во время торможения). Электрическая энергия хранится в батареях. (Обычно этот KE рассеивается в виде тепла в тормозах.) Инвертор используется для преобразования электричества постоянного тока от батарей в электричество переменного тока, необходимое для электродвигателя и создаваемое генератором.

______________________________

В приведенной ниже таблице сравнивается полный КПД нескольких автомобильных силовых установок. «Производство топлива» означает эффективность использования энергии при добыче, переработке и транспортировке топлива. «Eng» означает эффективность транспортного средства «топливо на колесо». «Газ» означает бензиновый двигатель. «FC-HC» означает топливный элемент PEM с установкой для преобразования бензина в водород на борту. (PEM = топливный элемент с протонообменной мембраной, тип топливного элемента, который привлекает наибольшее внимание для использования в автомобилях и дома.) «FC-MeOH» означает топливный элемент PEM с преобразователем метанола в водород на борту. (Метанол производится на нефтеперерабатывающем заводе путем паровой конверсии природного газа, поэтому он является «ископаемым топливом».) «Ems» означает влияние выбросов (CO, UHC, NOx). Оценки бывают «низкие» (где мы сейчас находимся для автомобилей), «сверхнизкие» и «супернизкие»9.0005

Эффективность и производительность двигателя остаются ключевыми конструктивными факторами для производителей

Технология отключения цилиндров Jacobs снижает трение распределительного вала, а также насосные потери в условиях частичной нагрузки.

Jacobs Vehicle Systems

Несмотря на растущее присутствие электромобилей в отрасли тяжелого оборудования, двигатели внутреннего сгорания будут продолжать играть важную роль в течение многих лет. Таким образом, производители двигателей постоянно работают над оптимизацией своих конструкций.

Производительность, топливная экономичность и выбросы по-прежнему остаются одними из главных областей, на которых производители концентрируют свои усилия при проектировании. «Мы рассматриваем двигатель как целостную систему и стараемся постоянно улучшать долговечность, расход топлива и мощность», — говорит Стефан Рудерт, руководитель инженерно-технического отдела и отдела сельского хозяйства подразделения Power Systems компании Rolls-Royce, отвечающего за бренд MTU.

Эффективность использования топлива приносит пользу конечным потребителям и положительно влияет на общую стоимость владения (TCO), поэтому она является приоритетной задачей для компании.

Он говорит, что номинальная мощность и кривые, а также поведение двигателя также являются важными областями, в которых Rolls-Royce пытается постоянно совершенствовать свою продукцию MTU. Кроме того, OEM-производители требуют более высоких номинальных мощностей, над достижением которых компания постоянно работает.

Рудерт говорит, что рыночные барьеры, такие как сертификаты, становятся все более значительными, сложными и важными как для производителей двигателей, так и для OEM-производителей. «Поэтому мы стараемся предложить нашим клиентам подходящее решение для всех требований и обеспечить доступность [для] наших двигателей по всему миру».

MTU сотрудничает с такими компаниями, как ABB, для исследования использования систем с регулируемым клапанным механизмом для улучшения характеристик двигателя. ABB

Оптимизация конструкции двигателя

Рудерт говорит, что стратегия Rolls-Royce в области исследований и разработок для своих двигателей и систем MTU должна следовать постоянный процесс улучшения, а не серьезные аппаратные изменения. «Эта концепция разработана таким образом, что незначительные изменения не требуют новой общей системы», — объясняет он. «Улучшения часто делаются на уровне электроники и программного обеспечения».

Эту возможность можно увидеть на двигателях, которые позволяют выполнять обновления по воздуху, что является обычным явлением на рынке большегрузных автомобилей. Например, Mack Over The Air от Mack Trucks позволяет удаленно обновлять программное обеспечение компонентов трансмиссии и параметров транспортного средства для грузовиков, оснащенных двигателями Mack 2017 года или новее. «Mack Over The Air позволяет клиентам обеспечивать работу своих грузовиков на оптимальном уровне, не нарушая график работы в сегодняшней гиперконкурентной экономике «точно вовремя», — сказал Дэвид Пардью, вице-президент по подключенным транспортным средствам и службам безотказной работы Mack Trucks. пресс-релиз, анонсирующий технологию обновления программного обеспечения. Многие производители грузовиков предлагают беспроводное программирование своих двигателей. Volvo Trucks Россия

Производители могут оптимизировать эффективность и производительность двигателя разными способами. Во время COMVEC 2019 один OEM-производитель, который также производит двигатели, отметил, что пути повышения эффективности двигателя включают улучшение трения, снижение тепловых потерь и обеспечение эффективного турбонаддува.

Компания Jacobs Vehicle Systems разработала несколько систем регулируемых клапанов, которые разрабатываются для автомобильного рынка и в настоящее время оцениваются несколькими производителями двигателей и независимыми лабораториями для обеспечения управления температурой выхлопных газов. Это помогает контролировать выбросы и оптимизировать эффективность селективного каталитического восстановления (SCR) для достижения новых целей по выбросам NOx, запланированных Калифорнийским советом по воздушным ресурсам (CARB) и Агентством по охране окружающей среды США (EPA), говорит Робб Джанак, директор по новым технологиям, Jacobs Vehicle Systems.

«Многие из этих технологий также обеспечивают значительное улучшение расхода топлива, что помогает снизить вредные выбросы, что соответствует сокращению CO ₂ , требуемому в соответствии с CARB, EPA и правилами мировых рынков в соответствии с Парижским соглашением», — говорит он. . «Поскольку эти технологии проходят апробацию на рынке автомобильных дорог, они также готовы для рынка внедорожных автомобилей, поскольку в ближайшие годы перед ним встанет задача достижения аналогичных целей».

Двухступенчатое раннее открытие выпускного клапана Джейкобса (EEVO) работает путем открытия выпускного клапана во время такта расширения нормального процесса сгорания. «Это выпускает горячие газы непосредственно в систему доочистки и используется для быстрого прогрева или регенерации дизельного сажевого фильтра (DPF). Быстрый прогрев необходим для соблюдения будущих норм NOx, поскольку система доочистки не начнет работать, пока не будет достигнута надлежащая рабочая температура», — говорит Джанак.

Система 2-ступенчатого регулируемого срабатывания клапана (VVA) компании Jacobs повышает производительность и эффективность во всем рабочем диапазоне двигателя. Системы транспортных средств Jacobs

Между тем, технология 2-ступенчатой ​​внутренней рециркуляции отработавших газов (iEGR) компании открывает впуск или выпуск клапан по запросу во время работы двигателя, чтобы вернуть отработавшие выхлопные газы в следующий цикл сгорания. Это используется для снижения температуры сгорания и выбросов NOx. В других системах используется внешняя линия для подачи выхлопных газов обратно во впускной коллектор для повторного сжигания. Это делается с помощью дорогих клапанов, трубопроводов из нержавеющей стали и часто с помощью дополнительной системы охлаждения. Внутренняя рециркуляция отработавших газов позволяет избежать дополнительных сложностей за счет использования существующих клапанов двигателя и системы, встроенной в клапанный механизм.

Jacobs также предлагает технологию активной декомпрессии (ADT), которая выборочно удерживает клапан двигателя открытым на небольшую величину во время последовательности запуска и остановки двигателя. «Результатом является резкое снижение вибрации двигателя во время этих последовательностей», — говорит Джанак. «Это также снижает пусковой крутящий момент и общий износ системы стартера, что позволяет чаще запускать и останавливать двигатель, чтобы исключить ненужную работу двигателя на холостом ходу».

Улучшения в деактивации цилиндров

В 2018 году компания Jacobs представила технологию деактивации цилиндров (CDA), которая используется в моторном тормозе High Power Density (HPD). Система предназначена для снижения выбросов выхлопных газов при одновременном повышении экономии топлива. Джанак говорит, что CDA позволяет большому двигателю работать как меньшему двигателю, что помогает снизить расход топлива. Он также улучшает терморегуляцию выхлопных газов при низкой нагрузке и в условиях холостого хода, чтобы система дополнительной обработки работала с оптимальной эффективностью.

CDA позволяет большим двигателям экономить топливо по сравнению с меньшими двигателями за счет повышения температуры выхлопных газов для оптимальной работы SCR. Эта технология также помогает уменьшить трение распределительного вала и насосные потери в условиях частичной нагрузки.

В системе используется гидравлический механизм деактивации цилиндров, блокирующий открытие впускных и выпускных клапанов. Деактивированные цилиндры действуют как газовая пружина и возвращают сжатую энергию воздуха обратно в кривошип. Несмотря на то, что в системе Jacobs можно отключить любое количество цилиндров, Джанак говорит, что недавние испытания показали снижение расхода топлива до 20% при работе двигателя при самых низких нагрузках с тремя отключенными цилиндрами.

Подробнее:  Jacobs представит технологию деактивации цилиндров

Более широкое использование моторных тормозов «Когда мы активируем систему HPD, мы отключаем обычные события впуска и выпуска и заменяем их специальными движениями, чтобы обеспечить двухтактное торможение двигателем. Это приводит к тому, что двигатель обеспечивает мощность торможения при каждом обороте двигателя, а не при каждом другом обороте», — объясняет он. «Это удваивает тормозную мощность при более низких оборотах двигателя, что улучшает управляемость в условиях, когда для достижения той же мощности со стандартным моторным тормозом требуется несколько переключений передач».

Он добавляет, что система HPD представляет собой решение для двигателей, которые теряют мощность торможения из-за уменьшения размеров. Моторный тормоз с высокой плотностью мощности (HPD) использует специальные движения для обеспечения торможения двухтактным двигателем. Jacobs Vehicle Systems

Кроме того, Джанак отмечает, что моторный тормоз HPD может улучшить торможение двигателей, работающих на природном газе, «которые исторически имели ограниченную мощность торможения двигателем. из-за более низкой степени сжатия и выбора турбо». Использование этой технологии позволяет двигателю, работающему на природном газе, соответствовать или превосходить мощность дизельного двигателя того же размера.

Джанак говорит, что использование моторных тормозов распространяется на новые области применения на рынке внедорожной техники, например, в сельском хозяйстве. Раньше двигатели сельскохозяйственной техники не могли использовать моторный тормоз, потому что клапанные механизмы часто содержали регуляторы гидравлических клапанов, которые не работали с традиционными моторными тормозами.

Чтобы решить эту проблему, компания Jacobs разработала технологию Fulcrum Bridge, которая позволяет интегрировать моторный тормоз в эти типы клапанных механизмов. Это устраняет необходимость установки и регулировки механического зазора в клапанном механизме между клапаном и распределительным валом, известного как зазор, с помощью гидравлических регуляторов зазора (HLA). Гидравлическая регулировка зазора обеспечивает более равномерное движение клапанов при любых условиях работы двигателя и износе в течение всего срока службы двигателя, повышая производительность двигателя и экономию топлива.

Использование технологии HLA выгодно как производителям двигателей, так и конечным пользователям. Это устраняет потенциальные узкие места на производственной линии, которые в противном случае были бы вызваны затяжкой двигателя. Устранение необходимости проверки и регулировки ресниц сокращает время простоя для клиентов. Компания заявляет, что этот процесс может быть особенно неудобным, поскольку необходима чистая среда при доступе к верхней части и открытии крышки клапана.

Ручная регулировка зазора также может привести к неточностям, которые могут отрицательно сказаться на выбросах и расходе топлива. По данным компании, отклонение от оптимальной настройки всего на 0,01 см (0,0039дюймов) может быть достаточно, чтобы негативно повлиять на дыхание двигателя и его эффективность. Исключая ручную регулировку, производители могут обеспечить оптимальную работу двигателя.

Джанак говорит, что компания видит растущий спрос на рынке на моторные тормоза, которые работают с HLA, а также на повышенную тормозную мощность, которую может обеспечить моторный тормоз HPD. Он способен увеличить мощность торможения во всем диапазоне оборотов двигателя, что, по его словам, может быть полезно для горнодобывающего оборудования для дополнительного контроля на спуске.

Выбросы по-прежнему будут иметь значение.

С внедрением стандартов Tier 4 Final в США и Stage V в ЕС нормы выбросов для производителей внедорожных двигателей несколько застопорились. Тем не менее, было предложено много будущих правил, а также введение более строгих стандартов выбросов в других регионах мира, таких как Индия и Китай. На рынке большегрузных автомобилей также продолжают вводиться новые правила.

По этим и многим другим причинам выбросы никогда не останутся без внимания производителей двигателей.

Рудерт говорит, что регулирование Стадии VI может быть возможно, хотя в настоящее время нет известных деталей или дат введения в действие. «Идут дискуссии о том, что в будущем законодательстве ЕС Stage VI может быть указано соблюдение предельных значений выбросов, включая выбросы CO ₂ , в течение всего срока службы двигателя», — говорит он. «Однако благодаря совершенно новой разработке наших двигателей для Stage V мы чувствуем себя очень хорошо подготовленными для соответствия будущим стандартам».

Он также отмечает, что компания продолжает совершенствовать свою технологию нейтрализации отработавших газов, что поможет соответствовать любым будущим стандартам выбросов.

Двигатели MTU Stage V отличаются низким расходом топлива при высоком крутящем моменте. Rolls-Royce Power Systems

Джанак говорит, что по мере того, как внедорожная индустрия смотрит на потенциальные будущие нормы выбросов, ей будет сложно использовать некоторые из те же решения, что и на автомобильном рынке. Поскольку управление тепловым режимом трансмиссии должно осуществляться безопасно в опасных условиях, а ограниченное пространство внутри оборудования может препятствовать использованию больших систем охлаждения или доочистки, Джейкобс считает, что его решения для двигателей будут полезными. «Наши стратегии срабатывания регулируемых клапанов обеспечивают производительность, упаковку и проверенную долговечность, позволяя свести к минимуму системы рециркуляции выхлопных газов и системы доочистки».

Забегая вперед, Рудерт говорит: «Двигатель внутреннего сгорания будет иметь еще долгое будущее, но не обязательно в качестве единственного источника энергии». Вместо этого он, вероятно, будет использоваться в сочетании с другими технологиями.

Плотность энергии аккумуляторов еще не достигла уровня, при котором они могут быть единственным источником питания для крупной внедорожной техники. Но при использовании двигателя в сочетании с аккумулятором или другим источником питания, например электродвигателем, можно использовать некоторые преимущества электрификации без ущерба для мощности или производительности.

Rolls-Royce, как и многие производители двигателей, в настоящее время разрабатывает альтернативные системы привода, которые могут использовать или не использовать двигатель и способны удовлетворить потребности оборудования для тяжелых условий эксплуатации.

Компания также исследует другие варианты топлива, включая водород и синтетическое топливо, производимое с использованием энергии из возобновляемых источников, которые могут стать реальной альтернативой дизельному топливу. Альтернативные варианты топлива обеспечат дополнительный способ соблюдения будущих норм выбросов, а также потенциальные возможности для оптимизации двигателя.