Горячие газы заставляют работать двигатели машин да или нет: купить, продать и обменять машину

ДВС или электричество. Какие двигатели будут работать в машинах будущего? | Об автомобилях | Авто

16.04.2020 17:35

Владимир Гаврилов

Примерное время чтения: 4 минуты

3445

Shutterstock.com

Многие страны Европы и мира декларируют постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Так, премьер-министр Дании Ларс Лекке Расмуссен в октябре 2018 года заявил, что к 2030 году в стране планируется ввести ограничения на продажу новых автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями. А уже к 2050 году Дания собирается полностью вывести транспорт с ДВС из эксплуатации. Франция, Швеция, Норвегия придерживаются тех же позиций и рассматривают вопрос о поэтапном отказе от привычных сейчас моторов к 2040 году. В Великобритании вообще запланирован отказ от ДВС к 2032 году. На фоне этих громких заявлений прагматики ставят вопрос: а на чем будет ездить человечество? Несмотря на многие преимущества электромотора, пока нет ни одной компании, которая бы получала прибыль от производства электрокаров. Слишком короткие пробеги на одной зарядке, чувствительность к низким температурам и высокая зависимость от сложной инфраструктуры ставят под вопрос их массовую эксплуатацию. Гибридные установки с функцией подзарядки, конечно, могут эксплуатироваться более широко и заменить машины с ДВС, но у владельцев таких транспортных средств рано или поздно встает вопрос: а зачем переплачивать за дополнительный электромотор, если он используется лишь в 5% от времени поездки? На этом фоне очень обнадеживающе звучит признание технического директора Volkswagen AG Маттиаса Рабе: что хоронить ДВС пока рано. Потенциал их усовершенствования еще не исчерпан.

Недостаточное сгорание топлива

Главной причиной, по которой крупные автоконцерны переходят к гибридным установкам, являются экологические требования по выбросам диоксида углерода (CO₂). Еще в 2018 году должен был вступить в силу стандарт, по которому все выпускаемые автомобили не должны в среднем превышать значения выбросов в 95 гр/км. Пока технологический уровень не позволил достигнуть приемлемых результатов, и новый стандарт отложен до 2021 года с перспективой продления моратория до 2025 года. А к 2030 году средние показатели выбросов СО₂ должны снизиться до 66 гр. Достигнуть заявленного значения можно только при периодическом выключении мотора и использовании электродвигателя.

Однако дополнительный мотор — это всегда увеличение веса и снижение динамических характеристик. Кроме того, согласно анализу эксплуатации гибридных машин, их владельцы редко ездят на электричестве. Почти всегда бензиновый мотор находится в работе, а электрический двигатель необходим лишь для сертификации, чтобы на стендах помогать машинам показывать заявленные в экологических стандартах показатели.

По словам Маттиаса Рабе, сейчас есть возможность обеспечить требования по выбросам CO₂ и без довеска в виде дополнительного электродвигателя. Правда, для этого потребуется существенно переработать конструкцию двигателя внутреннего сгорания и разработать новые сорта синтетического топлива. Что это за технологии?

Авиационные технологии

Вредные выбросы появляются в выхлопе в результате неполного сгорания топлива. Сейчас в современных моторах смесь сгорает только на 75%, а ее остатки выбрасываются в систему выпуска и догорают в катализаторе, в результате чего пары газа проходят через сложные преобразования. Чтобы сократить количество вредных веществ, необходимо обеспечить качественное сгорание смеси с увеличением КПД мотора.

Такая технология у немцев уже есть. Называется она Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC), то есть «встречные поршни, встречные цилиндры». Взята она из недавнего прошлого авиации. К примеру, в немецких «Юнкерсах» применялись двигатели со встречными поршнями, которые обеспечивали лучшее заполнение камер сгорания и газоотвод, чем у обычных четырехтактных моторов.

В итоге сгорание топлива улучшается. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, а в моторе с технологией OPOC — турбонаддув. Для лучшей работы на низких оборотах разогнать турбину помогает внешний электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

При этом мотор OPOC состоит из модулей, из которых можно собирать многоцилиндровые агрегаты, комбинируя блоки и соединяя их электромагнитными муфтами. Для экономии топлива один или несколько модулей можно отключать.

Синтетическое топливо

Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.

Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы. Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.

В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.

двигателиавтомобили

Следующий материал

Новости СМИ2

Реферат на тему Виды реактивных двигателей, физические основы реактивного движения при разных скоростях

.

Введение.

В современной авиации гражданской и военной, в космической технике широкое применение получили реактивные двигатели, в основу создания которых положен принцип получения тяги за счёт силы реакции, возникающей при отбросе от двигателя некоторой массы (рабочего тела), а направление тяги и движения отбрасываемого рабочего тела противоположны. При этом величина тяги пропорциональна произведению массы рабочего тела на скорость её отброса. Так упрощённо можно описать работу реактивного двигателя, а настоящая научная теория наглости современных реактивных двигателей разрабатывалась несколько десятков лет. И в её основе и конструкции реактивных двигателей лежат труды русских учёных и изобретателей, которые в развитии реактивных двигателей и вообще в ракетной техники всегда занимали ведущее место. Конечно, к началу работ по ракетной технике в России относится к 1690г., когда было построено специальное заведение при активном участии Петра 1 для производства пороховых ракет, которые гораздо ранее были использованы в древнем Китае. Тем не менее пороховые ракеты образца 1717г. благодаря своим высоким по тому времени качествам использовались почти без изменения в течение около ста лет. А первые попытки создания авиационного реактивного двигателя следует наверно отнести к 1849 году, когда военный инженер И.М. Третесский предложил для передвижения аэростата использовать силу реактивной струи сжатого газа. В 1881 Кибальчич разработал проект летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем. Конечно, это были первые попытки использовать силу реактивной струи для летательных аппаратов, а конечно Н. Е.Жуковский, «отец русской авиации», впервые разработавший основные вопросы теории реактивного движения, является по праву основоположником этой теории.

Труды Российских и советских учёных и конструкторов вместе с трудами наших выдающихся соотечественников Н.Е.Жуковского, К.Э.Циолковского, В.В.Уварова, В.П.Мишина и многих других являются основой современной реактивной техники, что позволило создать высокоскоростные истребители типа……, тяжёлые транспортные самолёты типа Руслан, сверхзвуковой лайнер Ту- 144, ракетоноситель Энергия и орбитальную станцию Мир и многое другое, что является нашей славной историей и гордостью России.

I. Физические основы работы реактивного двигателя.

В основе современных мощных реактивных двигателях различных типов лежит принцип прямой реакции, т.е. принцип создания движущей силы (или тяги) в виде реакции (отдачи) струи вытекающего из двигателя «рабочего вещества», обычно — раскалённых газов.

Во всех двигателях существует два процесса преобразования энергии. Сначала химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а затем тепловая энергия используется для совершения механической работы. К таким двигателям относятся поршневые двигатели автомобилей, тепловозов, паровые и газовые турбины электростанций и т.д.

Рассмотрим этот процесс применительно к реактивным двигателям. Начнем с камеры сгорания двигателя, в котором тем или иным способом, зависящим от типа двигателя и рода топлива, уже создана горючая смесь. Это может быть, например, смесь воздуха с керосином, как в турбореактивном двигателе современного реактивного самолёта, или же смесь жидкого кислорода со спиртом, как в некоторых жидкостных ракетных двигателях, или, наконец, какое-нибудь твёрдое топливо пороховых ракет. Горючая смесь может сгорать, т.е. вступать в химическую реакцию с бурным выделением энергии в виде тепла. Способность выделять энергию при химической реакции, и есть потенциальная химическая энергия молекул смеси. Химическая энергия молекул связана с особенностями их строения, точнее, строения их электронных оболочек, т. е. того электронного облака, которое окружает ядра атомов, составляющих молекулу. В результате химической реакции, при которой одни молекулы разрушаются, а другие возникают, происходит, естественно, перестройка электронных оболочек. В этой перестройке — источник выделяющейся химической энергии. Видно, что топливами реактивных двигателей могут служить лишь такие вещества, которые при химической реакции в двигателе (сгорании) выделяют достаточно много тепла, а также образуют при этом большое количество газов. Все эти процессы происходят в камере сгорания, но остановимся на реакции не на молекулярном уровне (это уже рассмотрели выше), а на «фазах» работы. Пока сгорание не началось, смесь обладает большим запасом потенциальной химической энергии. Но вот пламя охватило смесь, ещё мгновение — и химическая реакция закончена. Теперь уже вместо молекул горючей смеси камеру заполняют молекулы продуктов горения, более плотно «упакованные». Избыток энергии связи, представляющей собой химическую энергию прошедшей реакции сгорания, выделился. Обладающие этой избыточной энергией молекулы почти мгновенно передали её другим молекулам и атомам в результате частых столкновений с ними. Все молекулы и атомы в камере сгорания стали беспорядочно, хаотично двигаться со значительно более высокой скоростью, температура газов возросла. Так произошел переход потенциальной химической энергии топлива в тепловую энергию продуктов сгорания.

Подобных переход осуществлялся и во всех других тепловых двигателях, но реактивные двигатели принципиально отличаются от них в отношении дальнейшей судьбы раскалённых продуктов сгорания.

После того, как в тепловом двигателе образовались горячие газы, заключающие в себя большую тепловую энергию, эта энергия должна быть преобразована в механическую. Ведь двигатели для того и служат, чтобы совершать механическую работу, что-то «двигать», приводить в действие, все равно, будь то динамо-машина на просьба дополнить рисунками электростанции, тепловоз, автомобиль или самолёт.

Чтобы тепловая энергия газов перешла в механическую, их объём должен возрасти. При таком расширении газы и совершают работу, на которую затрачивается их внутренняя и тепловая энергия.

В случае поршневого двигателя расширяющиеся газы давят на поршень, движущийся внутри цилиндра, поршень толкает шатун, а тот уже вращает коленчатый вал двигателя. Вал связывается с ротором динамомашины, ведущими осями тепловоза или автомобиля или же воздушным винтом самолёта — двигатель совершает полезную работу. В паровой машине, или газовой турбине газы, расширяясь, заставляют вращать связанное с валом турбиной колесо — здесь отпадает нужда в передаточном кривошипно-шатунном механизме, в чем заключается одно из больших преимуществ турбины

Расширяются газы, конечно, и в реактивном двигателе, ведь без этого они не совершают работы. Но работа расширения в том случае не затрачивается на вращение вала. Связанного с приводным механизмом, как в других тепловых двигателях. Назначение реактивного двигателя иное — создавать реактивную тягу, а для этого необходимо, чтобы из двигателя вытекала наружу с большой скоростью струя газов — продуктов сгорания: сила реакции этой струи и есть тяга двигателя. Следовательно, работа расширения газообразных продуктов сгорания топлива в двигателе должна быть затрачена на разгон самих же газов. Это значит, что тепловая энергия газов в реактивном двигателе должна быть преобразована в их кинетическую энергию — беспорядочное хаотическое тепловое движение молекул должно замениться организованным их течением в одном, общем для всех направлении.

Для этой цели служит одна из важнейших частей двигателя, так называемое реактивное сопло. К какому бы не все в там правда типу не принадлежал тот или иной реактивный двигатель, он обязательно снабжен соплом, через которое из двигателя наружу с огромной скоростью вытекают раскалённые газы — продукты сгорания топлива в двигателе. В одних двигателях газы попадают в сопло сразу же после камеры сгорания, например, в ракетных или прямоточных двигателях. В других, турбореактивных, — газы сначала проходят через турбину, которой отдают часть своей тепловой энергии. Она расходует в этом случае для приведения в движение компрессора, служащего для сжатия воздуха перед камерой сгорания. Но, так или иначе, сопло является последней частью двигателя — через него текут газы, перед тем как покинуть двигатель.

Реактивное сопло может иметь различные формы, и, тем более, разную конструкцию в зависимости от типа двигателя. Главное заключается в той скорости, с которой газы вытекают из двигателя. Если эта скорость истечения не превосходит скорости, с которой в вытекающих газах распространяются звуковые волны, то сопло представляет собой простой цилиндрический или суживающий отрезок трубы. Если же скорость истечения должна превосходить скорость звука, то соплу придается форма расширяющейся трубы или же сначала суживающейся, а за тем расширяющейся (сопло Лавля). Только в трубе такой формы, как показывает теория и опыт, можно разогнать газ до сверхзвуковых скоростей, перешагнуть через «звуковой барьер».

II. Классификация реактивных двигателей и особенности их использования

Однако этот могучий ствол, принцип прямой реакции, дал жизнь огромной кроне «генеалогического дерева» семьи реактивных двигателей. Чтобы познакомиться с основными ветвями его кроны, венчающей «ствол» прямой реакции. Вскоре, как можно видеть по рисунку (см. ниже), этот ствол делится на две части, как бы расщепленный ударом молнии. Оба новых ствола одинаково украшены могучими кронами. Это деление произошло по тому, что все «химические» реактивные двигатели делятся на два класса в зависимости от того, используют они для своей работы окружающий воздух или нет.

Один из вновь образованных стволов — это класс воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Как показывает само название, они не могут работать вне атмосферы. Вот почему эти двигатели — основа современной авиации, как пилотируемой, так и беспилотной. ВРД используют атмосферный кислород для сгорания топлива, без него реакция сгорания в двигателе не пойдет. Но все же в настоящее время наиболее широко применяются турбореактивные двигатели

(ТРД), устанавливаемые почти на всех без исключения современных самолётах. Как и все двигатели, использующие атмосферный воздух, ТРД нуждаются в специальном устройстве для сжатия воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Ведь если давление в камере сгорания не будет значительно превышать атмосферное, то газы не станут вытекать из двигателя с большей скоростью — именно давление выталкивает их наружу. Но при малой скорости истечения тяга двигателя будет малой, а топлива двигатель будет расходовать много, такой двигатель не найдёт применения. В ТРД для сжатия воздуха служит компрессор, и конструкция двигателя во многом зависит от типа компрессора. Существует двигатели с осевым и центробежным компрессором, осевые компрессоры могут иметь спасибо за пользование нашей системой меньшее или большее число ступеней сжатия, быть одно-двухкаскадными и т.д. Для приведения во вращение компрессора ТРД имеет газовую турбину, которая и дала название двигателю. Из-за компрессора и турбины конструкция двигателя оказывается весьма сложной.

Значительно проще по конструкции безкомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, в которых необходимое повышение давления осуществляется другими способами, которые имеют названия: пульсирующие и прямоточные двигатели.

В пульсирующем двигателе для этого служит обычно клапанная решётка, установленная на входе в двигатель, когда новая порция топливно-воздушной смеси заполняет камеру сгорания и в ней происходит вспышка, клапаны закрываются, изолируя камеру сгорания от входного отверстия двигателя. Вследствие того давление в камере повышается, и газы устремляются через реактивное сопло наружу, после чего весь процесс повторяется.

В бескомпрессорном двигателе другого типа, прямоточном, нет даже и этой клапанной решётки и давление в камере сгорания повышается в результате скоростного напора, т.е. торможения встречного потока воздуха, поступающего в двигатель в полёте. Понятно, что такой двигатель способен работать только тогда, когда летательный аппарат уже летит с достаточно большой скоростью, на стоянке он тяги не разовьет. Но зато при весьма большой скорости, в 4-5 раз большей скорости звука, прямоточный двигатель развивает очень большую тягу и расходует меньше топлива, чем любой другой «химический» реактивный двигатель при этих условиях. Вот почему прямоточные двигатели.

Особенность аэродинамической схемы сверхзвуковых летательных аппаратов с прямоточными воздушно-реактивными двигателями (ПВРД) обусловлена наличием специальных ускорительных двигателей, обеспечивающих скорость движения, необходимую для начала устойчивой работы ПРД. Это утяжеляет хвостовую часть конструкции и для обеспечения необходимой устойчивости требует установки стабилизаторов.

III.Особенности проектирования и создания летательного аппарата.

Рассмотрим реактивного движения при разных скоростях возьмем два типа реактивного движения: дозвуковое и сверхзвуковое. На любой скорости важную роль играет аэродинамика летательного аппарата.

Аэродинамика — наука о движении тел в воздушной среде — является теоретической основной авиации. Без успехов аэродинамики не возможно было бы стремительное развитие авиации, столь характерное для нашего времени. Но успехи аэродинамики были бы немыслимы без проведения экспериментальных работ, в основе которых использование аэродинамических труб, позволяющих производить моделирование полёта летательного аппарата с учётом теории подобия, в результате чего испытуемое изделие закреплялось стационарно, а воздушный поток набегал на него.

Это позволило инженерам решить сложные вопросы аэродинамики крыла, оптимизировать формы фюзеляжа, решить проблемы штопора, флаттера, вопросы преодоления вниз звукового барьера и многие другие, инженерные и научные вопросы теории газодинамики. На лабораторной базе Центрального аэрогидродинамического университета (ЦАГУ) проводились основные исследования, в том числе и реактивных двигателей (вернее их масштабных моделей) при дозвуковом и сверхзвуковом набегающем потоке. Результатами этих работ явились научные труды, позволившие оптимальным образам выбирать характеристики двигателей их компоновку и положение на корпусе фюзеляжа и многое другое. Таким образом, в результате проектных и экспериментальных работ определялся общий вид летательного аппарата.

Но важной особенностью проектных работ являлось выбор двигательной установки, позволившей выполнять изделию заданные технические характеристики. Конечно, на самом деле вопросы выбора двигателя в истории развития авиационной технике шли как бы поэтапно от простого к сложному и соответственно более совершенному, не уменьшая надёжности. Это на современном этапе развития техники мы можем более грамотно (из имеющегося) выбирать компоновку летательного аппарата в соответствии с требуемыми задачами. Поэтому конструктора всегда учитывают особенности двигателей при разных скоростях.

В этих случаях Реактивные двигатели (прямоточные, турбореактивные) используют для своей работы кислород воздуха, поступающий из воздухозаборников, установленных на летательном аппарате.

Размеры воздухозаборных устройств, их число, характер расположения, режимы работы существенно изменяют условия обтекания и аэродинамические свойства летательного аппарата, что в свою очередь влияет на тяговые и экономические характеристики двигателей.

Для обеспечения наименьших потерь полного давления и создания тем самым лучших условий работы двигателей воздухозаборные устройства должны размещаться на летательном аппарате так, чтобы они не затенялись крыльями, оперением и другими впихните свой лицо выступающими частями, т.е. чтобы в зоне входа в воздухозаборное устройство поток испытывал как можно меньшие возмущения

С этой целью нежелательно размещать воздухозаборное устройство вблизи поверхности корпуса на большом удалении от носовой части, если входной канал оказывается в зоне пограничного слоя с достаточно большой толщиной и поступающий воздух будет иметь большие потери полного давления

Вид аэродинамической схемы летательного аппарата с реактивным двигателем зависит от расположения воздухозаборных устройств. При большом удалении воздухозаборника от носовой части летательного аппарата перед входом в него должны быть предусмотрены устройства для отсоса пограничного слоя. Возможно вынесение входного сечения воздухозаборника за пределы пограничного слоя. Всё это предотвращает срыв потока воздуха и улучшает характеристики работы воздухозаборников.

С целью снижения потерь давления воздуха, поступающего в двигатель, и повышения эффективности его работы воздухозаборные устройства вместе с двигателями могут располагаться в виде гондол на крыльях или специальных пилонах. В этом случае для повышения устойчивости и улучшения управляемости предусмотрено хвостовое оперение.

Тепловой двигатель — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

4-тактный двигатель внутреннего сгорания. Рисунок 1. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп ^[1]

Тепловой двигатель — это тип двигателя (как двигатель в автомобиле) который производит макроскопическое движение от тепла. Когда люди потирают руки, трение превращает механическую энергию (движение наших рук) в тепловую энергию (руки нагреваются). Тепловые двигатели делают прямо противоположное; они берут энергию тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращают ее в движение. Часто это движение превращается в электричество с помощью генератора.

Почти вся энергия, используемая для транспорта и электричества, поступает от тепловых двигателей. Горячие объекты, даже газы, обладают тепловой энергией, которую можно превратить во что-то полезное. Тепловые двигатели перемещают энергию из горячего места в холодное и переводят часть этой энергии в механическую энергию. Для работы тепловых двигателей требуется разница температур.

Изучение термодинамики изначально было вдохновлено попыткой получить как можно больше энергии от тепловых двигателей. ^[2] По сей день используются различные виды топлива, такие как бензин, уголь и уран. Все эти тепловые двигатели все еще работают в пределах, налагаемых вторым законом термодинамики. Это означает, что для нагревания газа используются различные виды топлива, а для избавления от отработанного тепла необходим большой холодный резервуар. Часто отработанное тепло уходит в атмосферу или в большой водоем (океан, озеро или река).

В зависимости от типа двигателя используются различные процессы, такие как воспламенение топлива при сгорании (бензин и уголь) или использование энергии ядерных процессов для производства тепла (уран), но конечная цель одна и та же: превратить тепло в работу. Наиболее известным примером тепловой машины является двигатель автомобиля, но большинство электростанций, таких как угольные, газовые и атомные, также являются тепловыми двигателями.

Двигатель внутреннего сгорания

полный артикул

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется, чтобы совершать работу внутри двигателя. Та же топливно-воздушная смесь выбрасывается в виде выхлопных газов. Хотя это чаще всего делается с помощью поршня, это также можно сделать с помощью турбины.

На рис. 1 показан пример двигателя внутреннего сгорания. Этот конкретный тип называется четырехтактным двигателем, который довольно распространен в автомобилях.

Внешняя тепловая машина

полная статья

Внешние тепловые машины обычно представляют собой паровые машины, и они отличаются от внутренних тем, что источник тепла отделен от работающего газа. Эти тепловые двигатели обычно называют двигателями внешнего сгорания, потому что сгорание происходит вне двигателя. Например, внешнее горение будет использовать пламя для нагрева воды в пар, а затем использовать пар для вращения турбины. Это отличается от внутреннего сгорания, как в двигателе автомобиля, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.

В ядерных реакторах нет сгорания, поэтому используется более широкий термин «внешний тепловой двигатель». Реактор с кипящей водой на рис. 2 представляет собой внешнюю тепловую машину, как и другие атомные электростанции.

Рис. 2. Ядерный реактор с кипящей водой, представляющий собой внешнюю тепловую машину. ^[3]

Примеры тепловых двигателей

Внутреннее сгорание

• Поршневой двигатель
• Газовая турбина
• Реактивный двигатель

Внешнее сгорание

• ядерные реакторы, такие как реактор CANDU, реактор с водой под давлением
• угольная электростанция
• электростанция, работающая на природном газе

КПД

основной артикул

КПД двигателя – это процент подводимой энергии, которую двигатель может преобразовать в полезную работу. Уравнение для этого: η = выходная мощность / входная энергия. Наиболее эффективные поршневые двигатели работают с КПД около 50%, а средняя угольная электростанция работает с КПД около 33%. Электростанции, построенные совсем недавно, имеют КПД более 40%.

Меньшие тепловые двигатели, например, в автомобилях, имеют выходную механическую мощность, измеряемую в лошадиных силах. Более крупные тепловые двигатели, такие как электростанции, измеряют мощность в МВт. Конечно, выходная мощность может быть измерена в любых единицах мощности, например, в ваттах.

Потребление тепловой машины также является мощностью, часто измеряемой в МВт. С силовой установкой есть и электрическая выходная мощность. Чтобы различать эти две мощности, тепловая мощность (входная мощность) измеряется в тепловых мегаваттах (МВт), а для производства электроэнергии выходная мощность измеряется в электрических мегаваттах (МВт). Для тепловых двигателей, которые обеспечивают движение вместо электричества, выходная мощность будет механической.

Когенерация

основная статья

Тепловая машина имеет два побочных продукта: работу и тепло. Назначение большинства двигателей — производить работу, а тепло обрабатывается просто как отходы. Когенерация использует отработанное тепло для полезных вещей. Отопитель в автомобиле работает по принципу когенерации, отбирая отработанное тепло двигателя для нагрева воздуха, который прогревает салон. Вот почему работа отопителя автомобиля зимой мало влияет на расход бензина, а работа кондиционера летом может обойтись примерно в 10-20% от расхода бензина автомобиля.

Для дальнейшего чтения

• Роторный двигатель
• Поршневой двигатель
• Работа
• Первый закон термодинамики
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ «File:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif. [Доступ: 17 мая 2018 г.].
2. ↑ «Энергия тонкой концепции» Дж. Куперсмит, глава 12, стр. 208, Oxford University Press, 2010.
3. ↑ (2015, 4 января). Реактор с кипящей водой [Онлайн]. Доступно: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html

Что случилось с паровым двигателем Смоки?

| Практическое руководство — Двигатель и трансмиссия

Этот двигатель 80-х годов с мощностью 50 миль на галлон и 1,8 л. Теперь это всего лишь легенда. . . Либо это?

Каждый год мы получаем сообщения читателей с вопросами о судьбе потенциально прорывной технологии двигателей, разработанной покойным легендарным производителем гоночных двигателей и высокопроизводительным настройщиком Генри «Смоки» Юником вместе с его давним сотрудником Ральфом Джонсоном. HOT ROD впервые сообщил об этом адиабатическом двигателе с «горячим паром» (или «горячим воздухом») в июньском номере 1984 года. «Следующий шаг» Си Джей Бейкера полностью объяснил, как Смоки разработал четырехцилиндровый двигатель Fiero Iron Duke объемом 2,5 л (151 куб. см), который соответствовал всем стандартам выбросов 80-х годов (с карбюратором и без компьютера), развивал мощность 250 л.с. и 250 фунт-фут. крутящего момента (по сравнению с примерно 90 л. получил около 35 миль на галлон на 87-м октановом числе). Двигатель горячего пара проделал все это, работая при неслыханно высоких температурах при чрезвычайно бедном соотношении воздух/топливо, что, по-видимому, нарушает общепринятую физику двигателя внутреннего сгорания.

Обычно разные части стандартной негомогенной топливно-воздушной смеси сгорают с разной скоростью в одном и том же цилиндре, создавая турбулентность и сталкивающиеся фронты пламени. В таких «нормальных» условиях охлаждение всасываемого заряда для создания более высокой плотности смеси полезно для предотвращения самовозгорания некоторых молекул топлива (так называемой детонации). Но стандартный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с циклом Отто использует только около 25 процентов своей потенциальной энергии для выработки мощности. Остальные 75 процентов теряются с выхлопом или передаются в виде тепла в систему охлаждения и радиатор. Технология горячего пара пытается уловить эту тепловую энергию, используя ее для перегрева поступающей воздушно-топливной смеси до более чем 450 градусов по Фаренгейту, поступающей в цилиндр, тем самым достигая однородного, идеально испаренного состояния, которое, как говорят, предотвращает детонацию, обеспечивая при этом полное сгорание.

Чтобы полностью испарить топливо, Смоки использовал тепло воды в системе охлаждения двигателя плюс тепло выхлопных газов, чтобы постепенно нагревать всасывающий поток системы до требуемой температуры. Под карбюратором находился теплообменник, который использовал горячую охлаждающую жидкость двигателя, выходящую из двигателя, для нагрева смеси примерно до 200 градусов. Затем воздушно-топливный заряд протекал через генератор второй ступени, турбину с приводом от выхлопных газов, обернутую каналом для выхлопных газов. Смоки назвал это устройство гомогенизатором, но на самом деле это был турбокомпрессор под причудливым воздуховодом. Мало того, что устройство создавало наддув, оно также служило односторонним обратным клапаном, препятствующим обратному вытеканию расширенной горячей смеси из карбюратора. Из турбины смесь вытекала через впускной коллектор, также обернутый выхлопными трубами, и достигала своей конечной сверхгорячей температуры впуска.

Хотя эта технология, казалось бы, была революционной и совершенно новой, Смоки и Ральф (который все еще здесь) на самом деле возились с этой концепцией более трех десятилетий. Ральф говорит: «Я сам придумал эту идею и сделал первый паровой двигатель, когда мне был 21 год» еще в начале 50-х в свободное время в обеденный перерыв, когда он работал техником на динамометрическом стенде GM. Это был рядный шестицилиндровый двигатель Chevy объемом 235 куб. см с одноцилиндровым карбюратором, который выдавал на 35 л.с. больше, чем установка 3×1-цилиндрового двигателя на Corvette 53 года, при меньшем потреблении топлива. К сожалению, никаких официальных записей или фотографий этой первой попытки не существует.

Ральф стал специалистом по настройке и выездным инженером по обслуживанию карбюраторов в Holley, и ему обычно приписывают разработку карбюратора с двойным насосом мощностью 850 куб. Ральф прямо противоречит утверждению исходной статьи о том, что двигатель не работал на обедненной смеси. «Это был обедненный ожог. Я откалибровал карбюратор». Хотя современные двигатели с компьютерным управлением рассчитаны на работу со стехиометрическим соотношением воздух/топливо 14,6:1, Ральф отмечает, что карбюраторные шестицилиндровые двигатели Econo, поставляемые в оригинальной комплектации, успешно работали с соотношением 18:1 еще в 1919 году.60. Соотношение A/F парового двигателя 80-х было намного больше 20:1.

На протяжении 80-х Смоки и Ральф продолжали развивать технологию. «Хотя я много лет говорил об этом со Смоки, — говорит Ральф, — Смоуки был толчком к этому. Он заплатил мне за мое время и усилия, а также за все знания, которые я привнес в наш результат. Смоки и я могли работать вместе. без рисунков и фотографий. Все это было в наших головах».

В конце концов, появился трехцилиндровый Buick (наполовину V-6), проект Ford и Mopar Omni/Horizon. Каждое приложение получило более 45 миль на галлон и произвело не менее 1,8 л.с./куб.см. Ребята из Детройта OE и независимые лаборатории, сертифицированные на национальном уровне, подтвердили все заявления и рабочие характеристики. Он был на грани запуска в производство (одно приложение для ’90 Грузовик С-10, подобрался очень близко). Crane Cams получила лицензию на разработку комплектов для модернизации послепродажного обслуживания. Потом все развалилось.

Это был «синдром не изобретённого здесь» снова поднял свою уродливую голову. Как может пара хот-роддеров с редуктором знать больше, чем все лучшие инженерные таланты Детройта? К этому времени Детройт занялся компьютером, системой впрыска топлива и каталитическим нейтрализатором. Традиционная теория заключалась в том, чтобы избавиться от тепла или управлять им; Смоки направлял тепло для повышения производительности, что было полной противоположностью традиционной инженерной науке. Да, у него были союзники в Детройте, но его придирчивый характер за десятилетия породил немало врагов. Меняющиеся политические течения в политике OE в конечном итоге оставили Смоки в дураках.

Между тем опасения по поводу долговечности вынудили Crane отказаться от уровней наддува и температур для своих запланированных комплектов модернизации. Оригинальные моторы Smokey были снабжены кольцами, коваными поршнями и шатунами Carrillo, но ретро-комплекты были на болтах для четырехцилиндровых двигателей econo. Стоимость комплекта продолжала расти, даже когда производительность снижалась. Начались пререкания. В дело вступили адвокаты, и неизбежно последовали судебные процессы. Проект рухнул под ворохом взаимных обвинений.

Смоки получил патенты на основную технологию горячего пара; Семья Юник разрешила патентам стать общественным достоянием еще в 2003 году. Тем не менее, Смоки унес большую часть знаний с собой в могилу. Как говорит дочь Смоки Триш Юник: «Заявка на патент — это баланс между раскрытием информации и тайнами. Вы хотите раскрыть достаточно информации, чтобы получить патент, но не настолько, чтобы люди могли реконструировать ваши идеи. Смоки ушел, и некоторые секреты ушли с ним».

Одним из главных секретов является точная настройка или метод, используемый для того, чтобы двигатель преодолел порог детонации в сверхгорячем, сверхобеднённом режиме работы. Ральф дает несколько интригующих намеков. Он отмечает, что «любой хороший гонщик, который когда-либо попадал в аварию, скажет вам, что машина никогда за всю свою жизнь не работала так хорошо, как перед тем, как ее отпустило». Короче говоря, двигатель развивает максимальную мощность на грани детонации. Например, типичный малоблочный Chevy надежно работает при стабилизированной температуре выхлопных газов 1750 градусов по Фаренгейту. При температуре 2250 градусов у вас определенно будут проблемы из-за разрушающей двигатель детонации. Но Ральф говорит, что «если вы сможете довести его до 2600 градусов по Фаренгейту, вы сможете контролировать скорость горения молекулы водорода в топливе, основного радикала в газе, который вызывает детонацию. Контролируйте эту скорость горения при этой температуре, и вы сделаете больше мощности без детонации». Таким образом, температура ключа, похоже, благополучно превышает 2250 градусов. Мало того, что настройка имеет решающее значение, но, возможно, также было задействовано какое-то особое волшебство синхронизации распределительного вала.

Все это подводит нас к еще одному ограничивающему фактору в контексте 80-х: необходимы внутренние изменения, чтобы двигатель мог надежно работать в течение длительного времени при повышенных температурах в руках среднего потребителя, не разбирающегося в автомобилях. Возникает вопрос, соответствовала ли металлургия той эпохи поставленной задаче, и если да, то была ли доступной стоимость серийного автомобиля? Кроме того, любая неисправность системы (например, неправильное соотношение воздух/топливо или температура) может привести к мгновенному отказу двигателя.

Но технологии продолжали развиваться в течение 20 лет, прошедших с момента создания двигателя. Керамические детали двигателя или даже весь двигатель, сделанный из керамики (которая устойчива до 4000 градусов по Фаренгейту), могли бы стать ответом, но материал остается дорогим. Литая или формованная керамика подвержена случайным пустотам и дефектам, которые очень трудно обнаружить с помощью обычных методов контроля. Керамика может быть выдавлена ​​из твердого материала (некоторые двигатели истребителей имеют керамические детали), но технология и производственный процесс в настоящее время слишком дороги для потребительского использования (экструдированная керамика может быть разрезана только с помощью алмазного инструмента). Углерод-углеродная технология (сверхлегкая и стабильная до 5000 градусов по Фаренгейту) — еще одна возможность, но опять же, затраты должны значительно снизиться.

Хотя оригинальные двигатели с горячим паром полагались на карбюратор без компьютера, современный впрыск топлива и усовершенствования компьютера можно использовать для обеспечения отказоустойчивости двигателя в случае неисправности системы. Например, существующие системы управления двигателем по-прежнему полагаются на кислородный датчик и датчик детонации, чтобы обеспечить обратную связь для корректировки соотношения воздух/топливо и синхронизации соответственно, но это игра в догонялки, подверженная потенциально смертельной задержке по времени в двигателе. всегда работает близко к пределу. Теоретически возможно поместить индуктивный датчик на провод свечи зажигания, который может использоваться компьютером для измерения ионизационного зазора на свече зажигания в режиме реального времени. Изменение ионизационного зазора, указывающее на проблему в цилиндре, будет проявляться в виде небольшого изменения электрического тока в миллиамперах. «Если произойдет отказ из-за температуры или высокой температуры, вы сразу узнаете об этом», — говорит Ральф. «Я работал над созданием этого в Ethyl Corp. [используя аналоговые миллиамперметры] еще в 50-х годах, когда я был еще студентом. С обратной связью в реальном времени компьютер мог затем изменить искру, соотношение топлива. , и когда-нибудь степень сжатия или рабочий объем, чтобы компенсировать до того, как произойдет катастрофический отказ».

Компьютер можно запрограммировать на многократное срабатывание топливных форсунок за один такт зажигания, каждый раз с разной шириной импульса, чтобы немного изменить эффективное соотношение воздух/топливо в цилиндре в зависимости от того, где в цилиндре находится фронт пламени по сравнению с положением поршня относительно ВМТ. «Это то, что сейчас делают дизели», — отмечает Ральф. «Они стреляют шесть-семь раз за один такт. Дизеля больше не слышно, и он выдает больше лошадиных сил. Я предвижу степень сжатия дизельных двигателей 44: 1 и до 35: 1 на бензине, когда металлургия догонит их. .»

Тем временем Детройт снова активно занимается технологиями горячего пара. OE должны быть такими, какими должны быть стандарты экономии топлива, которые должны резко возрасти в ближайшие 10 лет. GM получила большой грант на новые исследования в этой области в рамках плана экономического стимулирования. Ходят слухи, что в Parker Hannifin ведутся секретные исследования. Сообщается, что активность также продолжается в Швеции.

Что касается судьбы оригинальных парогазовых двигателей Smokey, то Триш Юник до сих пор хранит четыре разных прототипа на долгосрочном хранении; остальные проданы. Говорят, что один из них находится на хранении в Смитсоновском институте. Тони Аллерс, давний друг и клиент Smokey, имеет единственные известные исправные двигатели. Он построил Fiero, идентичный оригинальному автомобилю, используя оригинальную трансмиссию, спасенную от HOT ROD Fiero Смоки, прежде чем он вернул машину Pontiac для дробления. Аллерс водил машину ежедневно в течение 2,5 лет, прежде чем подарил ее на Рождество 2009 года.в музей Дона Гарлица, где он выставлен в настоящее время.

Возможно, Ральф резюмирует это лучше всего: «Технология горячего пара не умрет. Появляются другие дети, которые умнее меня. Она будет продолжать развиваться вместе с технологиями, необходимыми для ее поддержки.