«Поршневые двигатели внутреннего сгорания»
Выпускник образовательной траектории сможет работать в области:
— проектирования и конструирования, исследований, монтажа и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания, а также вспомогательного оборудования, обеспечивающего функционирование двигателей внутреннего сгорания.
Объектами профессиональной деятельности выпускников являются:
— двигатели внутреннего сгорания средств наземного, водного и воздушного транспорта;
— двигатели внутреннего сгорания для малой энергетики;
— комбинированные энергоустановки с двигателями внутреннего сгорания;
— средства автоматики, исполнительные устройства, системы и устройства управления работой установок с поршневыми двигателями внутреннего сгорания;
— вспомогательное оборудование, обеспечивающее работу двигателей внутреннего сгорания.
ДВС нашли широкое применение в самых разнообразных отраслях народного хозяйства:
Выбор образовательной траектории по двигателям внутреннего сгорания открывают молодым специалистам широкие возможности для творческой работы в области двигателестроения:
— в конструкторских и технологических бюро на производстве;
— в экспериментальных лабораториях и научно-исследовательских центрах;
— на предприятиях, эксплуатирующих всевозможную технику, оснащенную двигателями внутреннего сгорания.
Основной потребитель выпускников это – ООО «Уральский дизель-моторный завод» (УДМЗ), входящий в группу «Синара-транспортные машины».
Обучение по двигателям внутреннего сгорания не означает, что они в состоянии работать только на крупных заводах. Общая подготовка такова, что полученных знаний достаточно для работы в сфере обслуживания, проектирования и производства любых тепловых машин. Например, большую часть вопросов по эксплуатации современного автомобиля представляет его двигатель. Зная по-настоящему принципы и процессы, которые положены в основу конструкции двигателя, выпускник может разобраться в принципах действия и конструкции любого автомобиля, мотоцикла, тепловоза и других энергетических машин.
Таким образом, выпускник может работать на промышленных предприятиях, в научных, конструкторских, проектных и эксплуатирующих ДВС предприятиях.
Производственной базой являются практически все ведущие предприятия Урало-Сибирского энергетического и энергомашиностроительного региона: ЗАО «Уральский турбинный завод», ООО «Уральский дизель-моторный завод», ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», ООО «Газпром трансгаз Югорск», ООО «Газпром трансгаз Ухта», ООО «Газпром трансгаз Надым», ОАО «Теплоэнергосервис», ТГК-9, ОГК-1, ОГК-2, ОГК-4, ОГК-5 (Enel) и другие.
Учебно-лабораторная база включает в себя ряд уникальных лабораторий, в том числе полномасштабный тренажер газокомпрессорной станции с газоперекачивающими агрегатами, лабораторию динамики и прочности, специализированные аудитории и компьютерные классы с мультимедийным оборудованием, а также оборудованием для проведения дистанционных занятий.
Поддерживаются творческие контакты с учебными заведениями и учеными зарубежных стран: Чехии, Словакии, КНР, Монголии, Израиля, Англии, Германии, Италии.
Авиационные поршневые двигатели XXI века
1 Декабря 2017
До середины прошлого века поршни и цилиндры оставались главным источником лошадиных сил для крылатых машин, но затем пламенные сердца авиации завоевала турбина. Однако старая любовь не ржавеет. На рубеже веков возникла потребность возрождения поршневого авиадвигателестроения в России. И вновь, как и в 1930-х годах, движущей силой этого процесса стал ЦИАМ. О том, что собой представляет авиационный поршневой двигатель (АПД) XXI века, рассказывает начальник отдела «Авиационные поршневые двигатели» ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» (входит в состав НИЦ «Институт имени Н.Е. Жуковского»), кандидат технических наук Лев Аронович Финкельберг.
С чем связана активизация работ по АПД в ЦИАМ?Это направление в ЦИАМ никогда не угасало, хотя, конечно, после перехода Института на реактивную тематику в конце 1940-х годов объем работ по поршневым двигателям резко сократился, и они проводились в основном по двигателям, серийный выпуск которых продолжался. К началу 1980-х годов в производстве остались только АШ-62 для Ан-2 и М-14П для учебно-тренировочных и спортивно-пилотажных самолетов Як-18, Як-52, Су-26.
Однако в 1980-е годы началось развитие беспилотной авиации, в связи с чем в ЦИАМ был создан сектор поршневых двигателей. Они оказались востребованными в беспилотных летательных аппаратах (БЛА) среднего класса со взлетным весом до тонны. Для аэрофотосъемки и мониторинга высокие скорости не нужны, а требуется малый удельный расход топлива, и поршневые двигатели как раз обладают этим качеством. При мощностях до 500 л.с. и при полетном цикле продолжительностью более 5 часов на сегодняшний день они успешно конкурируют с газотурбинными двигателями. Поршневые двигатели немного проигрывают ГТД по массе, но за счет меньшего расхода топлива суммарная масса двигателя и горючего на борту при достаточно длительном полете получается меньше.
Хотя сами электродвигатели достаточно компактны, оборудование для их работы — аккумуляторы и другое — пока еще слишком тяжелое. Если полетный цикл короткий, то использование электрического двигателя оправдано, но при длительном цикле АПД выигрывают. Заряда аккумуляторов надолго не хватает, или надо возить на борту тяжелую и сложную энергоустановку для их подзарядки. Перспективным направлением, которым мы сейчас будем заниматься, являются гибридные силовые установки: поршневой двигатель вращает генератор, а тот — питает электродвигатель. Так легче создать распределенную силовую установку: когда несколько электродвигателей с винтами размещаются на крыльях или в других местах на планере. Электрическая трансмиссия в таком случае проще и легче, чем механическая, что дает возможность создавать ЛА любых схем, на которые только хватит фантазии конструкторов.
Еще одна интересная возможность состоит в том, чтобы снабдить поршневой двигатель электромотором, который будет давать дополнительную мощность на взлете и работать как генератор в полете. Благодаря этому не придется делать переразмеренный поршневой двигатель, который на 100% используется только на взлете.
В мире накоплен гигантский опыт по автомобильным поршневым двигателям. Зачем нужны еще какие-то разработки? Чем отличается АПД от обычного автомобильного ДВС?
АПД от автомобильных двигателей отличается, прежде всего, режимом работы. Автомобильные ДВС, хотя и рассчитаны до 6000 оборотов, работают в основном в диапазоне до 2500-3000 оборотов, причем в динамике: трогание, разгон, торможение. АПД с точки зрения автомобильного мотора постоянно работает как бы в красной зоне, ведь его крейсерский режим — это 75% от взлетного. И при этих нагрузках необходимо добиться достаточного ресурса и надежности.
Кроме того, с точки зрения безопасности системы АПД должны быть дублированными, причем, если одна система отказывает, то вторая должна обеспечить падение характеристик не более чем на 2-3% от максимального режима. Соответственно, конструктивно в АПД многое выполняется иначе. К примеру, устанавливаются две независимые системы зажигания, у которых даже электропитание должно осуществляться от разных источников.
Далее, автомобильные двигатели, как правило, выполняются с масляным поддоном, а в авиации нужно обеспечить работоспособность маслосистемы при крене и тангаже самолета. А уж обеспечение, к примеру, перевернутого полета — это вообще отдельная тема.
В авиации не так просто применить новые материалы. Для этого должна быть проведена большая работа по подтверждению всех характеристик материала, только после этого его вносят в реестр допущенных для использования в авиации. В автомобильной же промышленности это сделать проще.
Авиационный двигатель отличается от автомобильного еще и условиями эксплуатации: к примеру, вся агрегатика в автомобильной промышленности в основном рассчитана на температуру максимум до минус 40°С, а мы должны обеспечить минус 56°С. Это тоже предъявляет повышенные требования, особенно к электронике, резинотехническим изделиям и уплотнениям.
К АПД предъявляются очень жесткие требования, и когда мы приходим к автомобилистам и говорим, что в принципе ваш агрегат нам подходит, но нужно его доработать, то многие оказываются не готовы применять наземную технику в авиации. Для производителей автомобильных агрегатов, которые привыкли к заказам в миллионы единиц, наш рынок все равно достаточно узкий, поскольку мы говорим в лучшем случае о сотнях изделий в год. При этом доработок и испытаний надо проводить много, и ответственность тоже на порядок выше.
Условно говоря, авиационные и автомобильные двигатели схожи по принципу действия, но очень сильно отличаются по исполнению и агрегатам. Поэтому НИР и ОКР по ним нужно проводить отдельно.
Расскажите о работах ЦИАМ по АПД в 1990-е и 2000-е годы.По беспилотникам в эти годы был создан комплекс с небольшим поршневым двигателем П-032 мощностью 32 л.с., который производился в Самаре на фирме «Кузнецов».
Кроме того, мы занимались модернизацией существующих двигателей типа М-14, изучали возможность применения впрысковой системы вместо карбюратора, занимались сертификацией. В то время мы как раз сертифицировали двигатель М-9Ф Воронежского механического завода, современную версию М-14П, которая устанавливалась на спортивных самолетах Су-26М.
Тогда же начиналась работа с «Сухим» по сельхозсамолету Су-38П с поршневым двигателем, но, к сожалению, она не получила логического завершения. Когда было безвременье, то все схватились за идею возрождения малой авиации. Какие-то проекты были даже реализованы: «Молния-1», Ил-103, И-1Л, самолет-амфибия Л-6, тот же Су-38П. В 2000-е годы разрабатывались и вертолеты с поршневыми двигателями: Ми-34 под М-14В26В и «Актай» с роторно-поршневым двигателем ВАЗ-426. Оба вертолета летали.
Было время, когда заговорили о ренессансе малой авиации в России…
К сожалению, должного развития это направление не получило. Дело в том, что в 2000-е годы было порушено очень много наземной инфраструктуры, особенно это коснулось небольших аэродромов, которые как раз и нужны малой авиации. Создать летательный аппарат можно в достаточно короткие сроки, а вот быстро восстановить инфраструктуру сложнее. Но в последние годы появилась идея, что перевозки должны базироваться в крупном хабе и осуществляться так, чтобы можно было вернуться без дозаправки. То есть нужна просто взлетная полоса. Здесь тоже становится выгодным применение поршневой авиации, поскольку время полета превышает 4-5 часов.
На сегодняшний день, кроме М-14 в Воронеже, поршневые двигатели в России серийно не производятся. Однако потребность в них есть. В настоящее время ведутся ОКР по созданию двигателей в классе мощности 50 л.с., 120 л.с. и 300 л.с. По срокам мы немного отстаем, но, я думаю, в конце концов добьемся успеха, потому что АПД в этих классах востребованы и, я надеюсь, их появление даст толчок развитию гражданской малой и беспилотной авиации.
Задержки в разработке происходят по разным причинам, одна из них — отсутствие постоянных соисполнителей по агрегатам. В связи с этим ЦИАМ при проведении НИР фактически занимается налаживанием кооперации по разработке и производству АПД, хотя это не совсем наша обязанность. Но мы вынуждены этим заниматься, поскольку и в 1990-е годы, и сегодня возникает одна и та же проблема: после переориентирования авиации на ГТД потребность в поршневых двигателях сократилась до десятка двигателей в год, а это ударило не только по производителям самих двигателей, но и по поставщикам агрегатов. Никому не интересно производить 10-20 штук в год. Поэтому постепенно поставщики агрегатов в стране пропали. И нам пришлось, с чем мы и до сих пор бьемся, заниматься восстановлением инфраструктуры и кооперации производства АПД.
В 2012 году совместно с Гаврилов-Ямским машиностроительным заводом «Агат» мы сделали двигатель-демонстратор именно для отработки технологии и создания кооперации. Это 4-цилиндровый, 4-тактный двигатель мощностью 90 л.с., объемом 1400 см3 и с маркировкой ПД-1400. На основании этой разработки позже «Агат» открыл ОКР на двигатель этого класса мощности, и в этом проекте используется большая часть налаженной кооперации по агрегатам. Получилось, что ЦИАМ подвиг «Агат» и поставщиков агрегатов на разработку поршневых двигателей, поскольку в 2000-е проблема состояла и в том, что не было предприятий, готовых к работе в этой области.
Мы специально искали относительно небольшое предприятие, для которого эта продукция стала бы основной. К этому времени мы уже имели негативный опыт 1990-х годов, когда за разработку двигателя брались крупные фирмы, такие как Воронежский механический завод или Автоваз. Но потом, когда наладился основной бизнес, это направление им стало не интересно, и свои разработки они просто закрыли. Не потому, что у них что-то не получилось или не было заказчика. А потому, что это нерентабельно. Поэтому мы вынуждены были параллельно с разработкой двигателя искать основных исполнителей. Владимир Алексеевич Скибин, в то время руководивший Институтом, предложил директору завода «Агат» взяться за разработку. Дело пошло и успешно развивается. Так что можно сказать, что ЦИАМ является инициатором возрождения поршневого двигателестроения в России.
Расскажите о вкладе ЦИАМ в разработку АПД в других классах мощности.50-сильный двигатель сейчас разрабатывается АО «КБ «Луч» в Рыбинске. Это двухтактный, двухцилиндровый оппозитный двигатель. К сожалению, у нас сохраняется не очень хорошая традиция: разрабатывать летательный аппарат начали раньше, чем двигатель, соответственно, пока пришлось применять импортный мотор. Сейчас стоит вопрос о его замещении, но конструктивно мы уже на него сориентированы, и другую схему предложить не можем. Мы вынуждены ее повторять, но предлагаем новые системы, ищем свои материалы, датчики, согласуем систему управления с летательным аппаратом. Кроме этого, большой объем работ по АПД ЦИАМ проводит в части испытаний в ожидаемых условиях эксплуатации, то есть в термобарокамере с имитацией высоты, температур и даже скоростей полета. Как правило, мы требуем, чтобы к нам на испытания приходила целиком силовая установка, то есть двигатель с воздушным винтом и капотом. В конце 1990-х годов мы специально для подобных испытаний разработали, изготовили и аттестовали винтовые стенды.
В ЦИАМ создавался и демонстратор дизеля мощностью 300 л.
с. Это был НИР для отработки технологий. Необходимо было показать на демонстраторе, что эти технологии работают и доступны для промышленного производства в России. Был предложен вариант дизеля для беспилотного вертолета, по которому тот же «Агат» сейчас ведет ОКР как продолжение работы, начатой ЦИАМ по двигателю-демонстратору. ЦИАМ может вести только НИР, для ведения ОКР и освоения серийного производства необходимо получение дополнительных лицензий. Мы отрабатываем отдельные узлы, технологии, системы и доводим их до 5-го уровня технологической готовности, после чего, в случае получения положительного результата, принимается решение о продолжении работ на одном из предприятий промышленности.
Мы проводим расчеты, подбираем материалы, чтобы обеспечить необходимые надежность и прочность. При нашем участии была создана кооперация по изготовлению демонстратора, мы заказывали компоненты, по нашему техническому заданию их изготавливали, а сборку делали в ЦИАМ. Этими работами мы показали, что создать АПД в России можно.
Чем вызвано применение дизелей в авиации?
У дизеля расход топлива еще меньше, чем у бензинового мотора, и гораздо меньше, чем у ГТД. Не менее существенно, что дизель может работать на авиационном керосине, который производится массово, в то время как для бензиновых АПД требуется авиационный бензин. Автомобильным бензином его заправлять нельзя, так как в таком горючем очень много ароматических углеводородов, и на высоте он проявляет склонность к повышенному парообразованию, то есть закипанию. А авиационного бензина в России сейчас не стало, во-первых, потому что запретили добавлять тетраэтилсвинец, то есть этилированные бензины исчезли. Во-вторых, и это основное: нефтеперерабатывающим заводам невыгодно производить его в малых количествах. В результате, кто-то завозит бензин из Финляндии или Польши, и, естественно, он гораздо дороже, чем автомобильный бензин или авиационный керосин. Кто-то на свой страх и риск все же использует автомобильный бензин, но с учетом того, что летать на нем можно только на небольшой высоте.
Мы пытались ввести регламент на использование автомобильного бензина на АШ-62 и на М-14. На АШ-62 это не получилось сразу, потому что уже на земле идет перегрев на взлетном режиме из-за более высокой, чем у авиационного бензина, тепловой отдачи.
Интересно, что работы над первым отечественным авиационным дизелем АН-1 велись в ЦИАМ под руководством А.Д. Чаромского еще в 1930-е годы. Наработки по этому проекту были использованы при создании легендарного В-2 для танка Т-34. И вот теперь дизель возвращается в авиацию, но уже в связи с появлением новых технологий с переходом на алюминиевые корпусные детали, которые появились сначала в автомобильной промышленности и позволили значительно облегчить конструкцию дизеля, что открыло ему дорогу к использованию в легковых автомобилях, а далее — в летательных аппаратах.
Чем характеризуется мировой уровень в разработках современных АПД? Есть ли понятие поколений АПД?
В АПД нет такого понятия, как двигатели разных поколений. Поршневой двигатель и у нас, и на Западе остается достаточно консервативной конструкцией, и его схема кардинально не менялась с 1940–50-х годов. Базовые двигатели разработки наиболее известных западных фирм, таких как Lycoming и Teledyne, в течение нескольких десятилетий остаются в том же типоразмере и конфигурации. Единственное, что можно отметить: обновляются обеспечивающие работу двигателя системы, появляются, например, впрысковые системы с электронным управлением с полной ответственностью типа FADEC, которые значительно снижают расход топлива, внедряются новые материалы.
Основное направление развития АПД на Западе — это то, чем занимаемся и мы: переход на новые системы, на новые масла, на новые топлива. В чем мы отстаем, так это в агрегатике, которая у нас не развивалась ни в авиации, ни в автомобильной промышленности. Те же форсунки везде применяются импортные — и в наземной технике, и в авиационной, хотя сейчас ведутся работы по созданию отечественных форсунок и для дизеля, и для бензинового АПД.
Так что говорить о смене поколений или о резком скачке в характеристиках АПД не приходится. Единственное принципиальное новшество состоит в том, что с середины 2000-х годов во всем мире стали внедряться авиационные дизели, использование которых интересно с точки зрения снижения расхода топлива и применения авиационного керосина.
Давайте все же поговорим об АПД нетрадиционных схем. Например, о роторно-поршневых двигателях. В автомобильной промышленности этот тип двигателя не прижился. А какие у него перспективы в авиации?Работы по роторно-поршневым двигателям достаточно успешно ведутся во всем мире. Среди автомобильных компаний в этом направлении преуспела Mazda. Активно занимался этой темой и Автоваз, который вполне успешно оснащал роторно-поршневыми двигателями мощностью 120 л.с. «восьмерки» и «девятки» для МВД. Изготавливались и авиационные варианты, но затем их производство в Тольятти было прекращено. В автомобильной промышленности, прежде чем выпустить продукт на рынок, необходимо обеспечить его сервис в тех точках, где вы намерены его продавать, а эта задача достаточно непростая. Поэтому потеснить поршневые двигатели в наземном транспорте сложно. Роторно-поршневой мотор Mazda несколько лет признавался лучшим в своем классе, однако широкого распространения так и не получил.
Но если говорить об авиационном использовании, то я могу назвать как минимум шесть фирм, которые сейчас делают роторно-поршневые двигатели для беспилотников. БЛА с такими двигателями уже летают в Англии, Германии, Израиле.
У этого типа двигателей много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Собрать вместе четыре модуля уже сложно, нужно много опор.
Мы исследовали роторно-поршневой двигатель Mazda 13B и разработали свою секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с.
В ЦИАМ уже создан демонстратор роторно-поршневого двигателя, он прошел на нашем стенде холодную обкатку и в данный момент времени «крутится» уже в горячую.
Важное направление исследований — это применение керамики в двигателях этого типа. ЦИАМ выиграл конкурс Фонда перспективных исследований по применению керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Будем делать из керамики вставку статора, все уплотнения и напыление на крышке.
Эта работа рассчитана на три года. Мы ее только начинаем, но уже к концу следующего года должен появиться работающий демонстратор для подтверждения заявленных технических характеристик, в том числе по высотности и по температуре окружающего воздуха в термобарокамере.
ЦИАМ на всевозможных выставках не раз демонстрировал поршень и гильзу из композиционного материала. Для роторно-поршневого двигателя будет использован тот же материал?
Поршень и гильза из керамики могут работать без смазки, поэтому мы и стремимся их внедрить. Мы испытывали их сначала со смазкой, причем поршни мы делали бесколечные, с минимальными зазорами. Тепловые расширения при использовании композитов посчитать трудно, поскольку применяется достаточно сложный многокомпонентный состав материала. Мы знаем, что цилиндр и поршень из алюминия в результате тепловых напряжений становятся овальными, а как себя поведет керамика, предсказать очень сложно. С первыми образцами у нас сразу ничего не получалось. Но потом мы нашли способ обойти эту трудность за счет изменения структуры материала. Что касается роторно-поршневого двигателя, то сейчас идут исследования и прочностные испытания различных типов материала, который в дальнейшем и будет применен в РПД.
Собственно, это и есть основная работа ЦИАМ: исследования новых технологий, материалов и конструктивных решений, их испытания. Причем испытания сначала идут на наших стендах в наземных условиях, а если они завершаются удачно, то мы переходим к испытаниям в ожидаемых условиях эксплуатации.
Не могу не задать Вам как специалисту по АПД вопрос о бесшатунном двигателе Баландина. Каков все же практический потенциал этого изобретения? Многие считают этот тип двигателя незаслуженно забытым.Это не совсем так. Да, схема интересная. Благодаря отказу от кривошипно-шатунного механизма уменьшается трение между поршнем и цилиндром. Есть энтузиасты, например, в МАИ, которые продолжают развивать эту идею. К нам каждый год приходят несколько изобретателей с новыми вариантами усовершенствования баландинской схемы. Но ее основная проблема в большей степени — технологическая. Она связана с кулисой для передачи усилий со штока на вал. Из-за высоких нагрузок не удается обеспечить приемлемый ресурс этого механизма.
В целом же все схемные решения по поршневым двигателям уже были проверены в 1950–60-е годы: и аксиальная схема, и роторно-поршневой двигатель, и схема Баландина. Сергей Степанович Баландин, кстати, тоже работал в ЦИАМ и здесь создал двигатель, который работал и развивал мощность, но только до 2000 оборотов. В НАМИ много занимались этой схемой в 1980-е годы. Ее не забыли, и государство вкладывало в эти исследования большие деньги, но результата не было. Работоспособную конструкцию создать удалось, но не удалось сделать именно двигатель с нормальным ресурсом и нужными характеристиками.
Расскажите о работах ЦИАМ по турбокомпаундному двигателю.
Турбокомпаундная схема тоже известна уже достаточно давно. В ЦИАМ когда-то занимались и такими двигателями, а созданный при участии Института в 1950 году турбокомпаундный ВД-4К стал вершиной отечественного поршневого двигателестроения.
В автомобилях же она в свое время применялась Volvo. Суть ее в том, что энергию от выхлопных газов, чтобы она не пропадала, срабатывают на силовой турбине, от которой мы можем или приводить генератор и получать дополнительную электроэнергию, или использовать эту прибавку непосредственно для увеличения мощности двигателя. Если в традиционном турбонагнетателе мы просто подаем в камеру больший топливный заряд, то здесь речь идет о более полном использовании энергии выхлопных газов, которая позволила бы запитывать, к примеру, бортовые системы, не отбирая мощность у двигателя.
У нас проработано несколько схемных решений использования такой турбины, просчитана сама турбина и электрическая часть. Планируем в этом году доработать математическую модель турбокомпаундного двигателя, посмотреть, какой эффективности мы добьемся в типоразмере на 500 л.с. Мы изучали варианты на 150, 300 и 500 л.с. При 150 л.с. использование этой схемы невыгодно по весовым характеристикам, а вот для 300 и 500 л.с. это уже интересно.
В планах ЦИАМ добиться резкого увеличения характеристик АПД к 2025–30 годам: снизить удельный расход топлива на 20-25%, удельную массу — на 25–30%, повысить ресурс и стоимость эксплуатации в 3–4 раза. За счет чего предполагается достигнуть такого прогресса?
За счет применения новых материалов и технологий, новых систем управления, включая систему непосредственного впрыска топлива, работ по применению синтетических масел и топлив, использования методики ЦИАМ по уменьшению масляного зазора между поршнем и цилиндром, позволяющей снизить расход топлива. Ведутся работы по уменьшению веса поршня, шатуна, колец, коленвала за счет использования интерметаллидов и композиционных материалов, по улучшению наполнения цилиндра и снятию большей работы с единицы объема. Оптимизируется геометрия впускного канала и расположения форсунки для улучшения испарения топлива на впуске. Изучаются новые алгоритмы управления рабочим процессом двигателей (стратификация заряда, гомогенное сгорание ТВС) и технологии системы управления с высокими энергиями зажигания и электронной многопараметрической системой управления рабочим процессом.
Мы занимаемся отработкой перспективных систем наддува и системы снабжения двигателя воздухом, включая его охлаждение после компрессора. В наших планах — использование альтернативных видов синтетических топлив на основе углеводородных фракций пропан-бутанового ряда. Все эти составляющие дают значительный суммарный эффект, что и позволяет нам рассчитывать на достижение требуемых показателей.
Знакомьтесь: сильфонно-поршневой двигатель — Энергетика и промышленность России — № 05 (121) март 2009 года — WWW.EPRUSSIA.RU
Газета «Энергетика и промышленность России» | № 05 (121) март 2009 года
Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и выявило множество связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу.Неизменным за прошедший период для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое человеческой деятельностью в данной сфере.
Сразу отметим, что факты известной практики являются вовсе не базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Ведь и самолеты не всегда летали!
Из истории поршневых двигателей
Первым массовым тепловым двигателем была паровая машина Уатта – поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу.
Рабочий процесс паровой машины здесь обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях ее цилиндра, объем которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала.
С конца XVIII до конца XIX века паровая машина была единственным распространенным тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надежна, проста.
Коэффициент полезного действия от нескольких процентов на начальном этапе достигает к закату эпохи паровых машин 20‑25 процентов.
К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность, вызванная большой неизбежной передачей тепла в окружающую среду, и ограничение единичной мощности.
О двигателе внутреннего сгорания
Следующим этапом развития теплотехники стал двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС подразделяются на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении.
Общим недостатком всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40‑50 процентов и ограничивает единичную мощность.
ПГУ и ГТУ
Вслед за ДВС широкое развитие получили паротурбинные и газотурбинные установки.
Паротурбинная (паросиловая) установка состоит из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса. Работает она по циклу Ренкина.
К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря большого количества тепла из‑за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из компрессора (сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания), собственно камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объеме (цикл Гемфри) происходит горение топлива. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл.
К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона, относится то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, то есть снижает возврат тепла в цикл.
Это снижает КПД и экономичность установки.
К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри, относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора (по циклу Ленуара) и иметь более благоприятные условия для регенерации в этих установках, на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.
В настоящее время наиболее перспективными признаны парогазовые установки (ПГУ). ПГУ состоит из ГТУ, работающей по циклу Брайтона, и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котел-утилизатор, генерирующий пар за счет тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50 процентов.
К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, все та же компенсация, а также сложность и дороговизна установок.
Известны также реактивные (ракетные) тепловые двигатели. Главным недостатком этих двигателей является низкий КПД.
Говоря о КПД, мы везде имели в виду термический КПД.
Таким образом, исследование современного уровня техники показывает, что общим технологическим недостатком тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкие КПД и экономичность.
Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные и иные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).
Природа компенсации
Отметим еще один, пусть тривиальный факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации.
Именно силы гравитации создают давление окружающей среды.
Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации или (то же самое) – против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации.
Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к ущербности всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.
Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 килограмм рабочего тела на выходе из тепловой машины под воздействием процессов расширения внутри машины имеет больший объем, чем объем на входе в тепловую машину.
А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 килограмм рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину – для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания.
На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 килограмм рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме.
А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, то есть мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.
Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины, по сравнению с объемом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом.
И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела на выхлопе, а значит, и работа проталкивания.
Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.
О регенерации
Регенерация позволяет самым существенным образом сократить передачу тепла в окружающую среду (в холодильник), сократить компенсацию за преобразование тепла в работу. Это снижает относительную долю переданного в холодильник тепла и, следовательно, повышает термический КПД. Однако процесс предварительного сжатия рабочего тела и теплоперепад в регенераторе накладывают ограничения на глубину регенерации.
Тем не менее есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и соответственно затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне.
Сильфонно-поршневой двигатель
Автором были запатентованы две установки: «Л-2» и «Л-3».
Первая позволяет сократить компенсацию за преобразование тепла в работу, а вторая исключает ее полностью.
Общим технологическим недостатком этих установок был процесс теплопередачи в регенераторах в условиях газовой конвекции. В этих условиях теплопередача имеет очень низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора.
Автором предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, и коллектора.
Внутренняя полость рабочих цилиндров заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1).
Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов и коллектора.
Внутренняя полость сильфонных поршней заполнена трансформаторным или турбинным маслом.
Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.
Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом.
Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух , который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра (при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра).
Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутреннюю полость сильфонного поршня с коллектором и с корпусом рабочего цилиндра, другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра, под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.
В предлагаемой конструкции сильфонный поршень выполнен из нетеплопроводящего материала. Его сжатие и растяжение происходят только под воздействием перепада давлений по сторонам.
Проходной роторно-поршневой двигатель — Энергетика и промышленность России — № 08 (124) апрель 2009 года — WWW.EPRUSSIA.RU
Газета «Энергетика и промышленность России» | № 08 (124) апрель 2009 года
Однако бурный рост потребления таких мощностей требует высокого качества преобразователей энергии, поскольку их работа связана с нагрузкой на окружающую среду.Поршневые ДВС сейчас уже не справляются с требованиями, которые предъявляются к тепловым преобразователям индивидуального пользования.
В поисках подходящей им замены изобретатели все чаще обращаются к роторным машинам. Но пока из всех автомобильных фирм только «Мазда» решилась поставить на поток роторный двигатель Ванкеля.
По массогабаритным показателям такой двигатель значительно превосходит поршневые двигатели, имеет меньше деталей. Однако его широкое использование сдерживается рядом существенных причин. К главным из них можно отнести малый ресурс работы двигателя, которого хватает от силы на 100 000 километров пробега.
В то же время основные технические характеристики роторного варианта теплового преобразователя близки к характеристикам газотурбинной техники и при этом обладают экономичностью поршневого двигателя.
Это заставляет изобретателей искать варианты, в которых будут совмещены преимущества различных систем.
Как известно, роторно-поршневой двигатель Ванкеля состоит из корпуса, в котором вершины треугольного ротора совершают эпитрохоидную траекторию, обеспечивая необходимые замкнутые полости переменного объема для сжатия рабочего тела, системы подвода тепловой энергии и механизма преобразования последней в энергию вращающегося вала.
Анализируя работу двигателя Ванкеля, можно заметить, что вершины треугольного ротора совершают свою траекторию под воздействием линии эпитрохоиды корпуса – в отличие от ДВС, где смену направления движения поршня определяет коленчатый вал.
Массивный же ротор, имея большую скорость, оказывает значительное сопротивление на сложных поворотах линии эпитрохоиды и, несмотря на обильную смазку, быстро изнашивает трущиеся детали двигателя. Помимо этого, вершины ротора, имеющие малую контактную поверхность, скользят под разными углами по трущейся поверхности корпуса, что ведет к еще большей скорости разрушения уплотнений.
Однако, к сожалению, линия эпитрохоиды совместно с эксцентриковым механизмом является конструктивной особенностью роторного поршневого двигателя Ванкеля, и на сегодняшний день схема Ванкеля лучшее решение для роторно-поршневого двигателя, несмотря на невысокий ресурс.
Приходится признать, что дальнейшее улучшение характеристик двигателя Ванкеля может быть осуществлено лишь с помощью применения еще более дорогостоящих материалов – при незначительной эффективности самого двигателя.
Но есть и другое решение проблемы создания замкнутых полостей переменного объема, в полной мере использующее все преимущества роторно-поршневого механизма.
Оно осуществляется путем установки плотной разделительной стенки в радиальной плоскости цилиндрического корпуса. Стенка откроется в нужный момент и пропустит рабочую часть ротора в точку начала оборота.
В этом случае ротор жестко связан с выходным валом, определяющим траекторию движения ротора без возвратно поступательной составляющей. Трение вращающегося ротора по цилиндрическому корпусу позволит создать большую площадь контакта трущихся поверхностей с неизменным углом касания. В итоге трущиеся поверхности не испытывают паразитного давления; параллельно с этим значительно улучшается уплотнение за счет увеличения поверхности контакта и снижается вибрация двигателя.
Здесь единственным относительно сложным узлом двигателя, который требует технической проработки и испытания, является уплотнительная стенка, пропускающая зуб ротора после завершения цикла.
Реализовать ее можно, установив на пути ротора дополнительный синхронно вращающийся цилиндр, охваченный корпусом. Он работает как вращающаяся часть подшипника скольжения, имеющего паз, который, развернувшись, пропускает зуб ротора словно через турникет.
Работа пропускного цилиндра при совершении рабочего хода заключается только в создании надежных уплотнений между камерами – в двух направлениях цилиндра. Одно проходит по линии скольжения цилиндра в корпусе с характеристиками подшипника скольжения – и здесь уплотнительная способность цилиндра сомнений не вызывает.
На втором направлении уплотнения цилиндр катится по поверхности малого радиуса ротора. Это наиболее сложный участок уплотнения с характеристиками, подобными роликовому или игольчатому подшипнику, который и является основой работы над пропускным РПД.
Автору представляется, что, с технической точки зрения, на пути к созданию перспективного роторного двигателя, свободного от недостатков РПД Ванкеля, стоит лишь вопрос уплотнения между катящимися цилиндрами. Переход же зуба через паз цилиндра происходит в технологическое время при отсутствии давления между камерами. Схема боковых уплотнений успешно решается в РПД Ванкеля, и ее можно позаимствовать.
Вторым отличием проходного РПД является компоновка функциональных узлов по схеме газотурбинного двигателя.
Выделение компрессора камеры сгорания и преобразователя в отдельные конструктивные узлы может значительно улучшить экологические показатели выхлопных газов, поскольку топливо будет сгорать в специально приспособленной камере, где легко можно поддерживать расход температуры и давление рабочего тела. Учитывая разные условия работы компрессора и преобразователя, появится возможность оптимизации узлов под конкретную задачу сжатия воздуха или преобразования энергии полученного горячего газа.
Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Дополнительные требования при измерении выбросов продуктов сгорания согласно ISO 8178 – РТС-тендер
ГОСТ ISO 14396-2015
МКС 27.020
Дата введения 2017-04-01
Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью «Центральный научно-исследовательский дизельный институт» (ООО «ЦНИДИ») на основе собственного аутентичного перевода на русский язык стандарта, указанного в пункте 5
2 ВНЕСЕН МТК 235 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые»
3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 12 ноября 2015 г.
N 82-П)
За принятие проголосовали:
Краткое наименование страны по | Код страны по | Сокращенное наименование национального органа по стандартизации |
Армения | AM | Армгосстандарт |
Беларусь | BY | Госстандарт Республики Беларусь |
Казахстан | KZ | Госстандарт Республики Казахстан |
Киргизия | KG | Кыргызстандарт |
Россия | RU | Росстандарт |
Таджикистан | TJ | Таджикстандарт |
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 22 июня 2016 г. N 669-ст межгосударственный стандарт ГОСТ ISO 14396-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 апреля 2015 г.
5 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ISO 14396:2002* Reciprocating internal combustion engines — Determination and method for the measurement of engine power — Additional requirements for exhaust emission tests in accordance with ISO 8178 (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Дополнительные требования при измерении выбросов продуктов сгорания согласно ISO 8178).
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым здесь и далее по тексту, можно получить, перейдя по ссылке на сайт http://shop.cntd.ru. — Примечание изготовителя базы данных.
Международный стандарт ISO 14396:2002 разработан техническим комитетом ISO/TC 70 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые».
Перевод с английского языка (en).
Официальные экземпляры международного стандарта, на основе которого подготовлен настоящий межгосударственный стандарт, и межгосударственных стандартов, на которые даны ссылки, имеются в национальных органах по стандартизации.
В разделе «Нормативные ссылки» и тексте стандарта ссылки на международные стандарты актуализированы.
Сведения о соответствии межгосударственных стандартов ссылочным международным стандартам приведены в дополнительном приложении ДА.
Степень соответствия — идентичная (IDT)
6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты» (по состоянию на 1 января текущего года), а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на судовые, тепловозные и промышленные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), а также может быть применен для двигателей внедорожной техники. Стандарт устанавливает требования к методам определения мощности указанных двигателей при измерении вредных выбросов в соответствии с ISO 8178, а также дополнительные требования к установленным стандартом ISO 15550.
Данный стандарт устанавливает дополнительные требования к условиям корректировки мощности регулируемых двигателей в зависимости от атмосферных условий и не может применяться при определении значений выбросов нерегулируемых двигателей.
Настоящий стандарт должен использоваться только совместно со стандартом ISO 15550, чтобы полностью определять требования, специфичные для конкретного применения двигателя.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:
_______________
* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. — Примечание изготовителя базы данных.
ISO 3104:1994 Petroleum products — Transparent and opaque liquids — Determination of kinematic viscosity and calculation of dynamic viscosity (Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости)
ISO 3675:1998 Crude petroleum and liquid petroleum products — Laboratory determination of density — Hydrometer method (Нефть сырая и жидкие нефтепродукты. Лабораторные методы определения плотности или относительной плотности. Ареометрический метод)
ISO 5164:1990 Motor fuels — Determination of knock characteristics — Research method (Моторное топливо. Определение антидетонационных свойств. Исследовательский метод)
ISO 5165:1998 Petroleum products — Determination of the ignition quality of diesel fuels — Cetane engine method (Нефтепродукты. Определение воспламеняемости дизельных топлив. Цетановый моторный метод)
ISO 15550:2002 Reciprocating internal combustion engines — Determination and method for the measurement of engine power — General requirements (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Общие требования)
ASTM D240-00 Standard Test Method for Heat of Combustion of Liquid Hydrocarbon Fuels by Bomb Calorimeter (Стандартный метод определения теплоты сгорания жидких углеводородных топлив с помощью калориметрической бомбы)
ASTM D3338-00 Standard Test Method for Estimation of Net Heat of Combustion of Aviation Fuels (Стандартный метод оценки полезной теплоты сгорания авиационных топлив).
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями, приведенными в таблице 1.
Таблица 1
Термин (в алфавитном порядке) | Определение (см. ISO 15550, номер пункта) |
контрольные испытания (production conformity test) | 3.5.4 |
корректировка мощности (power correction) | 3.3.10 |
мощность двигателя для ISO 8178 (engine power for ISO 8178) | 3.3.3.3 |
нагрузка (load) | 3.3.11 |
объявленная мощность (declared power) | 3.3.1 |
объявленная частота вращения двигателя (declared engine speed) | 3.2.4 |
объявленная промежуточная частота вращения двигателя (declared intermediate engine speed) | 3.2.5 |
регулирование двигателя (engine adjustment) | 3.2.1 |
частота вращения двигателя (engine speed) | 3.2.3 |
частота вращения двигателя при максимальном крутящем моменте (engine speed at maximum torque) | 3.2.7 |
специальные испытания (special test) | 3.5.3 |
топливоподача (fuel delivery) | 3.4.2 |
При объявлении промежуточной частоты вращения двигателя должны быть приняты во внимание следующие требования: | |
4 Обозначения и сокращения
В настоящем стандарте применены обозначения и сокращения в соответствии с таблицами 2 и 3 ISO 15550.
5 Стандартные условия
В качестве стандартных исходных условий для определения стандартной мощности ИСО и соответствующего ей удельного расхода топлива приняты условия в соответствии с разделом 5 ISO 15550.
6 Испытания
6.1 Метод испытаний
Применяется метод 2 в соответствии с пунктом 6.3 ISO 15550.
6.2 Условия испытаний
Действуют требования пунктов 6.3.4.1-6.3.4.14 ISO 15550 со следующими дополнениями.
a) Условия измерения мощности двигателя зависят от того, имеет ли двигатель заданную заводскую регулировку, рассчитанную на работу при максимальном значении топливоподачи в любых условиях, или же он допускает регулировки, с помощью которых может быть отрегулирован на заданную мощность.
Для регулируемого двигателя с самовоспламенением от сжатия (дизеля) проверка мощности производится при таких регулировках системы топливоподачи, при которых двигатель будет развивать мощность, заданную изготовителем, при условии, что оборудование этого двигателя соответствует требованиям таблицы 1 (графа 5) ISO 15550.
Все оборудование и все вспомогательные устройства согласно таблице 1 (графа 5) ISO 15550 перед испытаниями должны быть сняты.
Существует ряд устройств, необходимых только для работы приводимого от двигателя оборудования, которое может устанавливаться на двигателе и приводиться от него. Такие устройства перед испытаниями также должны быть сняты. Примерами подобных устройств являются:
— воздушный компрессор для тормозной системы;
— насос гидроусилителя руля;
— компрессор системы пневмоподвески;
— компрессор кондиционера;
— навесной редуктор.
В случаях, когда указанные устройства не могут быть сняты, потребляемая ими мощность должна быть определена и добавлена к измеренной мощности двигателя. Если эта мощность превышает 3% максимальной мощности, развиваемой двигателем при частоте вращения, на которой ведутся испытания, то ее величина может быть проверена надзорным органом.
b) Измерения мощности для ISO 8178 должны производиться при работе на том же топливе, что используется при измерениях выбросов по ISO 8178. Если заинтересованные стороны не договорились об ином, выбор топлива для испытаний должен производиться в соответствии с требованиями таблицы 12 ISO 15550.
На двигатели с самовоспламенением от сжатия (дизели), работающие на дизельном топливе, требования по значениям температуры топлива, приводимые в 6.3.4.11, подпункт b), ISO 15550, не распространяются. Для этих двигателей температура топлива должна быть равна 313 K (40°С).
________________
Приведенные предельно допустимые значения соответствуют законодательным нормативам выбросов для внедорожной техники.
Если используется топливо, отличное от дизельного, его температура может отличаться.
6.3 Порядок проведения испытаний
Требования пункта 6.3.5 ISO 15550 не действуют и заменяются нижеследующими.
Для двигателей, работающих при переменной частоте вращения, измерения должны проводиться при различных значениях частоты вращения, число которых должно быть достаточным для того, чтобы полностью определить характеристику мощности между минимальным и максимальным значениями частоты вращения, рекомендованными изготовителем. Значение мощности в каждой точке определяется как среднее по результатам, как минимум, двух измерений.
Для двигателей, работающих при постоянной частоте вращения, и двигателей установок, в которых крутящий момент зависит от частоты вращения (например, двигателей, работающих на винт фиксированного шага), измерения должны проводиться при объявленной мощности и объявленной частоте вращения.
7 Метод корректировки мощности
7.1 Для целей настоящего стандарта применяется метод корректировки мощности, установленный в разделе 7 ISO 15550.
7.2 Испытания должны проводиться в помещении с системой кондиционирования воздуха, атмосферные условия в котором могут регулироваться таким образом, чтобы значение коэффициента корректировки поддерживалось как можно ближе к единице. Если двигатель оборудован такой системой автоматического регулирования температуры, в которой при полной нагрузке и при температуре воздуха, равной 298 K (25°С), нагретый воздух на впуск не подается, то испытания должны вестись в обычном режиме; при этом показатель степени температурной составляющей в формуле коэффициента корректировки (пункты 7.3 или 7.4.2 ISO 15550) должен быть принят равным нулю (т.е. температурная коррекция отсутствует).
8 Измерения выбросов
Требования раздела 8 ISO 15550 не действуют и заменяются нижеследующими.
Для измерений выбросов вредных веществ после завершения измерений мощности двигателя должны применяться методы измерения, регламентированные ISO 8178.
9 Отчет об испытаниях
9.1 Общие положения
Требования к отчету об испытаниях, содержащиеся в пунктах 9.2.2.1 и 9.2.2.2 ISO 15550, дополняются требованиями, приведенными в пунктах 9.2 и 9.3 настоящего стандарта.
9.2 Условия испытаний при измерении мощности двигателя:
Общие сведения | |||
Фирменное название или марка двигателя: | |||
Тип и паспортный номер двигателя: | |||
Семейство двигателей: | |||
Условия испытаний | |||
Давления, измеренные при объявленной частоте вращения: | |||
a) полное атмосферное давление; | кПа | ||
b) давление водяного пара; | кПа | ||
c) противодавление отработавших газов | кПа | ||
Местонахождение точки измерения противодавления отработавших газов: | |||
Разрежение на впуске: | Па | ||
Абсолютное давление во входном тракте: | Па | ||
Температуры, измеренные при объявленной частоте вращения: | |||
a) воздуха на впуске; | K | ||
b) воздуха на выходе из воздухоохладителя; | K | ||
c) охлаждающей жидкости: | K | ||
— на выходе охлаждающей жидкости | K | ||
— в контрольной точке в случае двигателя с воздушным охлаждением | K | ||
d) смазочного масла: | |||
— точка измерения | K | ||
e) топлива: | |||
— на входе в карбюратор/в систему впрыска топлива | K | ||
— в расходомере топлива | K | ||
Характеристики нагрузочного устройства | |||
Изготовитель | |||
Модель: | |||
Тип: | |||
Диапазон мощности: | |||
Характеристики топлива для двигателей с искровым зажиганием, работающих на жидком топливе | |||
Изготовитель и тип: | |||
Технические характеристики: | |||
Октановое число топлива по исследовательскому методу (RON) согласно ISO 5164: | |||
Октановое число топлива по моторному методу (MON) согласно ISO 5164: | |||
Процентное содержание и тип оксигенатов: | % | ||
Плотность при 288 K (по ISO 3675): | г·см | ||
Измеренная низшая теплота сгорания, согласно ASTM D240-00 или расчетная низшая теплота сгорания согласно ASTM D3338-00: | кДж/кг | ||
Характеристики топлива для двигателей с искровым зажиганием, работающих на газообразном топливе | |||
Изготовитель: | |||
Технические характеристики: | |||
Давление хранения: | кПа | ||
Давление подачи: | кПа | ||
Низшая теплота сгорания: | кДж/кг | ||
Характеристики топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на жидком топливе | |||
Изготовитель: | |||
Характеристики топлива: | |||
Цетановое число (по ISO 5165): | |||
Вязкость при 40°С (по ISO 3104): | мм·с | ||
Плотность (при 288 K по ISO 3675): | г·см | ||
Измеренная низшая теплота сгорания согласно ASTM D240-00 или расчетная низшая теплота сгорания согласно ASTM D3338-00: | кДж/кг | ||
Характеристики топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, работающих на газообразном топливе | |||
Система подачи газа: | |||
Характеристики газа: | |||
Соотношение «газ/дизельное топливо» | |||
Низшая теплота сгорания: | кДж/кг | ||
Смазка | |||
Изготовитель: | |||
Технические характеристики: | |||
Класс вязкости SAE: | |||
Ненужное зачеркнуть. | |||
9.3 Протоколируемые результаты в функции от частоты вращения двигателя
Протоколируемые результаты должны быть представлены в форме таблицы 2.
Таблица 2 — Протоколируемые результаты
Параметр | Результат | Ед. изм. | ||
Частота вращения двигателя | об/мин | |||
Измеренный крутящий момент | Н·м | |||
Измеренная мощность | кВт | |||
Измеренный расхода топлива | г·с | |||
Барометрическое давление | кПа | |||
Давление водяного пара | кПа | |||
Температура воздуха на впуске | K | |||
Атмосферный фактор () | ||||
Коэффициент корректировки мощности | ||||
Расход топлива с учетом коррекции | г·с | |||
ВСЕГО (А) | кВт | |||
Мощность оборудования и вспомогательных устройств, установленных на двигателе, которая должна добавляться к значениям мощности, приведенным в таблице 1 ISO 15550: — (см. пункты 9.2.2.1.12 и 9.2.2.2.13 ISO 15550) | N 1 | кВт | ||
N 2 | кВт | |||
N 3 | кВт | |||
ВСЕГО (В) | кВт | |||
Мощность оборудования и вспомогательных устройств, не установленных на двигателе, но требуемых согласно пункту 4 (таблица 1) ISO 15550, которая должна вычитаться: — | N 1 | кВт | ||
N 2 | кВт | |||
N 3 | кВт | |||
ВСЕГО (С) | кВт | |||
Мощность для ISO 8178 | (А) + (В) — (С) | кВт | ||
Крутящий момент для ISO 8178 | Н·м | |||
Удельный расход топлива | г/(кВт·ч) | |||
Температура охладителя на выходе/в контрольной точке | K | |||
Температура смазочного масла в точке измерения | K | |||
Температура воздуха за компрессором | K | |||
Температура топлива перед ТНВД | K | |||
Температура воздуха за воздухоохладителем | K | |||
Давление воздуха за компрессором | кПа | |||
Давление воздуха за воздухоохладителем | кПа | |||
Разрежение на впуске | Па | |||
Противодавление на выпуске | кПа | |||
Подача топлива за такт или рабочий цикл | мм | |||
Для двигателей с искровым зажиганием откорректированный расход топлива рассчитывается как измеренный расход топлива, умноженный на коэффициент коррекции мощности. Откорректированный расход топлива используется только для расчетных целей. Для двигателей с воспламенением от сжатия откорректированный расход топлива равен измеренному расходу топлива. | ||||
10 Погрешность измерения мощности
10.1 Отклонение мощности двигателя, измеренной при сертификационных испытаниях (специальных испытаниях), от мощности двигателя, объявленной изготовителем, не должно превышать ±2% или 0,3 кВт (имеется в виду наибольшая из указанных величин) при объявленной частоте вращения двигателя и ±4% — при любых других значениях частот вращения.
10.2 Мощность двигателя, измеренная при его контрольных испытаниях, может отличаться на ±5% от мощности, объявленной изготовителем, если не оговорено иное.
Приложение ДА (справочное). Сведения о соответствии межгосударственных стандартов ссылочным международным стандартам
Приложение ДА
(справочное)
Таблица ДА.1
Обозначение и наименование ссылочного международного стандарта | Степень соответствия | Обозначение и наименование межгосударственного стандарта |
ISO 3104:1994 Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости | MOD | ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94) Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости |
ISO 3675:1998 Нефть сырая и жидкие нефтепродукты. Лабораторные методы определения плотности или относительной плотности. Ареометрический метод | NEQ | ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности |
ISO 5164:1990 Моторное топливо. Определение антидетонационных свойств. Исследовательский метод | — | * |
ISO 5165:1998 Нефтепродукты. Определение воспламеняемости дизельных топлив. Цетановый моторный метод | MOD | ГОСТ 32508-2013 Топливо дизельное. Определение цетанового числа |
ISO 15550:2002 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Определение и метод измерения мощности двигателя. Общие требования | NEQ | ГОСТ 10150-2014 Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические условия |
ASTM D240-00 Стандартный метод определения теплоты сгорания жидких углеводородных топлив с помощью калориметрической бомбы | NEQ | ГОСТ 21261-91 Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания |
ASTM D3338-00 Стандартный метод оценки полезной теплоты сгорания авиационных топлив | — | * |
* Соответствующие межгосударственные стандарты отсутствуют. До разработки и утверждения рекомендуется использовать перевод на русский язык данных международных стандартов. | ||
Библиография
[1] | ISO 5163:1990 | Motor and aviation-type fuels — Determination of knock characteristics — Motor method (Топливо для автомобильных и авиационных двигателей. Определение антидетонационных свойств. Моторный метод) |
[2] | ISO 8178-1:1996 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 1: Test-bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 1: Измерение выбросов газов и частиц на испытательных стендах) |
[3] | ISO 8178-2 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 2: Measurement of gaseous and particulate exhaust emissions at site (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 2. Измерение выбросов газов и частиц в условиях эксплуатации) |
[4] | ISO 8178-3 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 3: Definitions and methods measurement of exhaust gas smoke under steady-state conditions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 3. Определение и методы измерения дымности выхлопных газов в стационарном режиме) |
[5] | ISO 8178-4 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 4: Steady-state test cycles for different engine applications (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 4. Испытательные циклы для различных режимов работы двигателей) |
[6] | ISO 8178-5 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 5: Test fuels (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 5. Топливо для испытаний) |
[7] | ISO 8178-6 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 6: Report on measuring results and test report (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 6. Отчет о результатах измерения и испытания) |
[8] | ISO 8178-7 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 7: Engine family determination (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 7. Определение семейства двигателей) |
[9] | ISO 8178-8 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 8: Engine group determination (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 8. Определение группы двигателей) |
[10] | ISO 8178-9 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 9: Test cycles and test procedures for test bed measurement of exhaust gas smoke emissions from compression ignition engines operating under transient conditions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 9: Циклы и методики испытаний для стендовых измерений дымовыделения отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания в неустановившемся режиме) |
[11] | ISO 8178-10 | Reciprocating internal combustion engines — Exhaust emission measurement — Part 10: Test cycles and test procedures for field measurement of exhaust gas smoke emissions from compression ignition engines operating under transient conditions (Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Измерение выброса продуктов сгорания. Часть 10: Циклы и методики испытаний для измерений в полевых условиях дымовыделения отработавших газов от двигателей внутреннего сгорания в неустановившемся режиме) |
УДК 621.436:006.354 | МКС 27.020 | IDT |
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания поршневые, определение мощности, измерение выброса продуктов сгорания | ||
Электронный текст документа
подготовлен АО «Кодекс» и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2016
Повышение эксплуатационного ресурса поршневого двигателя
Поршневые двигатели широко используются для получения энергии в различных областях науки и техники, в первую очередь в автомобильной промышленности. В процессе проектирования, крайне важно быть уверенным в том, что все части двигателя способны выдерживать высокие напряжения и нагрузки, что в свою очередь продлевает срок его эксплуатации. В данной статье мы проанализируем износ шатунов двигателя.
Преобразование давления во вращательное движение
Большинство двигателей современных средств передвижения используют возвратно-поступательный поршневой механизм в качестве источника своей энергии. В поршневом двигателе внутреннего сгорания, топливо смешивается с окислителем в камере сгорания. Сгорание заставляет газы расширяться, оказывая давление на поршень двигателя и выталкивая его из камеры. Линейное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение посредством шатуна, который соединяет поршень с коленчатым валом. Это непрерывное движение вызывает большие напряжения в шатуне — нагрузка, которая возрастает с увеличением оборотов двигателя.
В поршневых двигателях, решающее значение имеет анализ работы каждого компонента, поскольку отказ одной части часто означает замену всего двигателя. Для оптимизации конструкции двигателя и гарантии длительного срока его эксплуатации, можно проанализировать работу шатунов с точки зрения их износостойкости.
Механические напряжения и усталость поршневого двигателя
В модели расчета многоцикловой усталости при возвратно-поступательном движении поршня рассматривается пример трех-цилиндрового поршневого двигателя, собранный в модуле Динамика многотельных систем. В этом двигателе маховик установлен в коленвале, и эта сборка поддерживается с обоих концов подшипниками скольжения. Данная модель содержит три комплекта цилиндров, поршни и идентичные шатуны. Шарнирные стыки используются для соединения нижних концов шатунов к общему коленвалу, а также для соединения поршней и шатунов в вершней части. Призматическое соединение используется для соединения каждого из цилиндров с поршнем.
Геометрия двигателя.
Предполагается, что кроме подвижной центральной части шатуна, все остальные компоненты двигателя являются жесткими. Цилиндры закреплены, а другие части двигателя имеют возможность свободно перемещаться в пространстве. Двигатель в сборке работает в режиме 1000 оборотов в минуту, при этом данные для конструкционной стали показывают, что предел усталости наступает при 210 МПа.
Наш анализ начинается с расчета временной зависимости напряжения в центральной части шатуна, так как концентрация напряжений, в силу геометрических соображений, предполагается именно в этой области. После нескольких оборотов, двигатель выходит на стационарный режим. Начиная с третьего цикла, зависимость напряжения от времени практически повторяется для каждого цикла, как показано на графике ниже. Третье главное напряжение преобладает во временной зависимости напряжения шатуна, так как часть его подвергается сжатию все время. Поскольку значения первого и второго главных напряжений малы по сравнению с третьим, мы можем рассматривать напряженное состояние в центральной части шатуна, как одноосное. Так как напряжения по Мизесу больше подходят для многоосной нагрузки, мы используем главное напряжение в качестве амплитуды напряжения в соотношении Баскина.
Временная зависимость напряжения в центральной части шатуна.
Следующий рисунок связан с прогнозом усталостной долговечности шатуна — времени до его усталостного разрушения. Сфокусируем наше внимание на центральной части около верхнего конца шатуна. Согласно модели Баскина, усталостная долговечность предсказывается на уровне двадцати пяти миллиардов циклов, что является чрезвычайно хорошим показателем. Хотя предел прочности не определяется в модели Баскина, соотношение может быть использовано для обратного расчета усталостной долговечности исходя из напряжения выносливости — 245 миллионов циклов. Поскольку прогноз модели дает большее значение времени жизни, чем обратные вычисления усталостной долговечности при пределе выносливости, мы можем предположить, что напряжение внутри сборки двигателя лежит ниже предела усталости, которое, как мы отмечали ранее, составляет величину 210 МПа для используемого материала, и, таким образом, шатун имеет неограниченный срок эксплуатации.
Прогноз усталостной долговечности шатуна.
Первоначальный график временной зависимости напряжения также показывает, что шатун спроектирован с неограниченным ресурсом эксплуатации. С диапазоном главного напряжения около 110 МПа, амплитуда напряжения имеет значение близкое к 55 МПа, что ниже усталостного предела для материала.
Попробуйте сами
Двигатели внутреннего сгорания
О профессии
Транспортные перевозки играют ключевую роль в развитии экономики стран и регионов. Практически все силовые установки автомобильного, воздушного, водного, железнодорожного и специального транспорта являются тепловыми двигателями, в большинстве своем — поршневые. Двигатели внутреннего сгорания используются в генераторах, служащих основными и резервными источниками электрической энергии практически во всех сферах деятельности. При проектировании, строительстве и эксплуатации альтернативных источников энергии генераторы с поршневыми двигателями являются вспомогательными и резервными источниками электрической энергии. Современные направления в двигателестроении — создание малотоксичных и экономичных двигателей внутреннего сгорания, транспортных средств с гибридными силовыми установками, использования традиционных и альтернативных топлив. Выпускники выполняют научно-исследовательские работы любой сложности в области малой энергетики, работают в научно-исследовательских институтах и на заводах двигателестроительной отрасли, занимающихся разработкой новых и модернизацией существующих моделей силовых установок для транспорта и малой энергетики; в сервисных центрах по обслуживанию, ремонту и проектированию автомобилей, тракторов, быстроходных гусеничных машин, специальной колёсной и гусеничной техники.
Учебный процесс
Учебный процесс в магистратуре направлен на изучение основ создания, исследования, моделирования, производства, эксплуатации ДВС и энергетических установок с ДВС, процессы преобразования энергии в ДВС, комбинированных ДВС и их элементах. Магистр техники и технологий приобретает навыки по принятию обоснованных решений на стадиях выбора, проектирования, создания, испытаний, эксплуатации, обеспечивающих надежную и экономичную работу энергетических установок с ДВС и комбинированных ДВС. Специалист может пользоваться принятыми в отрасли методами расчетов, графическими пакетами, базами данных для обеспечения надежной эксплуатации энергетических установок, способен выполнять расчеты по определению основных показателей экономичности и надежности ДВС и комбинированных ДВС.
Изучаемые специальные дисциплины охватывают основные направления энергетического машиностроения, применительно к двигателям внутреннего сгорания: Математическое моделирование тепловых двигателей, Современные энергетические технологии, Патентоведение, Автоматическое регулирование тепловых двигателей, Когенерационные установки на базе тепловых двигателей, Современные компьютерные коммуникационные технологии, Методы испытаний ДВС, Специальные главы теории тепловых двигателей, Автоматическое регулирование тепловых двигателей, Системы топливоподачи ДВС, Проблемы снижения вредных выбросов ДВС, Современные проблемы науки и производства в энергетическом машиностроении, Специальные главы теории и конструирования ДВС.
Практика
В ходе прохождения научно-исследовательских практик студенты знакомятся с современной техникой, организацией и управлением предприятиями, а также новейшими методами ведения научный исследований. В рамках педагогической практики обучающиеся готовятся и получают навыки преподавательской деятельности. Департамент машиностроения и приборостроения имеет долгосрочные и продуктивные связи с ведущими российскими ВУЗами (МВТУ им. Баумана, МАДИ, МЭИ, КАИ, МАИ, МАМИ и др.). Практики организуются на таких предприятиях, как ПАО «МОСЭНЕРГО», Объединенный институт высоких температур РАН, ОАО «Коломенский завод», ТЭЦ-25 и других флагманах теплоэнергетики.
Карьера
По окончании обучения у выпускника есть возможность построения успешной карьеры в инновационно-ориентированных высокотехнологичных двигателестроительных, энергетических и машиностроительных компаниях. Выпускники подготовлены для работы в структурах, занимающихся научной и конструкторской деятельностью, в образовательных учреждениях высшего образования, научных и научно-производственных учреждениях и предприятиях реального сектора экономики. После окончания магистратуры, есть возможность продолжения учебной и научной деятельности в аспирантуре.
Основы поршневого двигателя— AOPA
Это не двигатель в Oldsmobile вашего отца
Марк Э. Кук
По сравнению с автомобильными или мотоциклетными двигателями поршневые двигатели самолетов более просты и, как некоторые говорят, примитивны. Тем не менее, пока вы учитесь летать, этот старый дрожащий шумогенератор перед брандмауэром таит в себе одновременно тайну и тревогу. Что там происходит? Будет ли он продолжать движение, пока я пересечу эту линию гребня?
Вы, вероятно, много слышите о авиационных двигателях, которые находятся на одном уровне в пищевой цепи от обычных газонокосилок или садовых тракторов, и это правда, если не считать самых грубых упрощений.Силовые установки самолетов — это, за исключением нескольких повстанцев, упрощенные, с воздушным охлаждением, горизонтально расположенные, четырехтактные устройства внутреннего сгорания с низкими рабочими скоростями и низкой удельной мощностью. Если бы вам пришлось описать автомобильный эквивалент, наиболее близкий к среднему авиационному, вы бы указали на почтенный двигатель Volkswagen Beetle.
Как и в случае с народным автомобилем, в подавляющем большинстве поршневых авиационных двигателей, используемых сегодня, используется цикл Отто, изобретенный Николаусом Августом Отто в 1876 году. Эти двигатели, также называемые четырехтактными или четырехтактными, содержат цилиндр, в который вставлен поршень. ; Поршень воздействует на коленчатый вал через шатун.Коленчатый вал, который в большинстве самолетов прикреплен болтами непосредственно к гребному винту, преобразует линейные (вперед и назад) движения поршня во вращательную работу.
В схеме цикла Отто есть четыре различных цикла, различающихся ходами поршня внутри цилиндра. При первом такте поршень движется вниз, втягивая топливо и воздух через кошмар домовладельца по водопроводу в камеру сгорания внутри цилиндра. Во втором такте поршень поднимается в канале ствола, сжимая эту смесь.Топливо в простом виде не отличается особой летучестью — то есть не загорится ни при малейшей провокации. Но в сжатом виде будет. Типичные авиационные двигатели пытаются сжать эту топливно-воздушную смесь в 6,5-8,5 раза; это называется степенью сжатия. Степень сжатия фактически измеряется путем определения объема всего цилиндра с поршнем в нижней мертвой точке хода (нижняя мертвая точка) до объема с поршнем в верхней мертвой точке хода (верхняя мертвая точка).Общий объем всех цилиндров, измеренный при НМТ, называется смещением. Таким образом, 1,6-литровый двигатель в вашем автомобиле имеет рабочий объем 1,6 литра (около 96 кубических дюймов), а Lycoming O-235 имеет рабочий объем около 235 кубических дюймов.
После того, как поршень сжал смесь, свеча зажигания (или две в авиационных приложениях) зажигает смесь. Возникающий в результате взрыв толкает поршень в сторону НМТ и называется рабочим ходом. При последнем движении вверх по стволу поршень выталкивает отработанные газы через выхлопную систему в небо.
Движение впускных и выпускных газов в цилиндр и из цилиндра регулируется клапанами в форме тюльпана, расположенными в верхней части головки цилиндров. Клапаны, в свою очередь, активируются короткими коромыслами через длинные толкатели (вы найдете их над коленчатым валом на большинстве Lycoming и ниже на Continentals). Распределительный вал, в основном стальной стержень с яйцевидными выступами по длине, приводит в действие толкатели с помощью подъемников размером с пленочную банку (или гидравлических регуляторов зазора) в корпусе двигателя, непосредственно примыкающего к распределительному валу и коромыслам на клапанной стороне толкателей. .
Чтобы лучше понять компоновку оборудования, давайте посмотрим на Lycoming O-235, используемый в Cessna 152; другие распространенные типы, такие как Continental O-200 в Cessna 150 и другие версии силовых установок обеих марок, имеют одинаковую базовую компоновку. Между прочим, эти номера моделей что-то означают. О означает «против»; ряды цилиндров расположены на 180 градусов друг от друга или плоские, как у двигателя Beetle. (Умные инженеры иногда называют эти 180-градусные V-образные двигатели, но что они знают?) Следующее число — это общий объем двигателя в кубических дюймах, округленный до ближайшего 0 или 5.Буква I в префиксе означает впрыск топлива. Для Continentals приставка TS означает «с турбонаддувом» или «с турбонаддувом», а для Lycomings вы найдете приставку T. Наличие буквы G в приставке указывает на редукторный двигатель, у которого пропеллер вращается медленнее, чем сам двигатель; Однако подавляющее большинство популярных двигателей имеют прямой привод. Эти приставки являются аддитивными, так что GTSIO-520 — это двигатель объемом 520 кубических дюймов с турбонаддувом и оппозитным двигателем. Суффиксы к смещению обозначают вариации типа.Lycoming O-235-C2A — это, например, 115-сильный вариант двигателя, а O-235-F2A — на 10 лошадиных сил больше.
Вот и цифры. Проще говоря, двигатель внутреннего сгорания вырабатывает энергию, преобразуя тепло в движение. Тепло исходит от горения топлива (в сочетании с большим количеством воздуха, обычно в соотношении 15: 1). Поскольку они имеют воздушное охлаждение, в цилиндрах используются тонкие ребра — в отличие от Cadillac 1959 года — для содействия передаче тепла, производимого в процессе сгорания, воздушному потоку, направляемому вокруг них через капот и металлические перегородки вокруг цилиндров.
Цилиндр состоит из литой алюминиевой головки, которая постоянно — по крайней мере, для пилота — соединена со стальным стволом, на который можно наносить покрытие или обрабатывать с помощью любого количества процессов.
Если вы сравните средний авиадвигатель с новейшими двигателями из Германии, Японии или Детройта, вы будете сильно разочарованы. Вы не найдете высокотехнологичного электронного впрыска топлива, верхних распределительных валов, сверхвысоких скоростей или приемлемой для инженеров высокой удельной мощности.Но двигатели рассчитаны на длительную работу на максимальной номинальной мощности; 2000 часов в автомобиле — это 110 000 миль, и автомобиль потребляет в среднем около 20 процентов мощности. Подумайте об этом, переходя следующую линию гребня во время поездки по пересеченной местности.
Поршневой двигатель— обзор
V Авиационное топливо
Сегодня авиационное топливо подразделяется на две основные группы, используемые в авиационной сфере: бензиновые топлива, используемые в поршневых двигателях, и керосин для газотурбинных двигателей.Эти два основных класса авиационных двигателей настолько принципиально различаются, что авиационное топливо подразделяется на две указанные выше основные группы. В настоящее время в гражданской коммерческой авиации используются два основных сорта турбинного топлива: Jet A-1 и Jet A, оба относятся к керосиновому топливу. Существует еще один сорт реактивного топлива (Jet B), который представляет собой керосин широкого спектра действия (смесь бензина и керосина), но он используется редко, за исключением очень холодного климата. Для военных самолетов основным топливом является JP-8, который является военным эквивалентом Jet A-1 с добавлением ингибитора коррозии и противообледенительных присадок.Авиационный бензин очень летуч и поэтому очень легко воспламеняется при нормальных рабочих температурах, поэтому процедуры и оборудование для безопасного обращения с ним вызывают наибольшую озабоченность.
Марки авиационных бензинов определяются в первую очередь их октановым числом для бедной и богатой смеси. Это приводит к множественной системе нумерации. Например, сорт 100/130 соответствует рейтингу эффективности обедненной смеси 100 и рейтингу эффективности богатой смеси 130.
До Второй мировой войны между производителями двигателей и властями было мало или совсем не было сотрудничества, и в результате было много различные марки авиационного бензина общего назначения e.г., 80/87, 91/96, 100/130, 108/135, 115/145. Однако с уменьшением спроса они были рационализированы до одного основного сорта Avgas 100/130 с содержанием свинца 1,28 г / л. (Чтобы избежать путаницы и свести к минимуму ошибки при обращении с авиационным бензином, принято обозначать этот сорт только по характеристикам обедненной смеси, например Avgas 100 для Avgas 100/130.)
В последнее время появился дополнительный сорт, названный 100LL , где LL означает «низкий свинец». Это должно было позволить использовать одно топливо в двигателях, изначально разработанных для марок с более низким содержанием свинца.Содержание свинца в этом виде топлива составляет 0,56 г / л. Причина, по которой крупные нефтяные компании представили этот бензин, заключалась в том, что некоторые из старых двигателей с октановым числом 80/87 сталкивались с засорением свечей и ухудшением состояния выпускных клапанов при работе на марке 100/130 с содержанием свинца 1,28 г / л.
Все оборудование и приспособления для обработки и хранения авиационного бензина имеют цветовую кодировку и хорошо видны маркировки API, обозначающие фактический сорт. Кроме того, топливо окрашивают, чтобы упростить идентификацию.В настоящее время на международном уровне используются два основных сорта: 100LL, который окрашен в синий цвет, и 100, который имеет зеленый цвет.
Форсунки авиационного бензина для заправки ВС окрашены в красный цвет. Чтобы предотвратить возможность подачи реактивного топлива на самолет с поршневым двигателем, сопло системы заправки авиационным бензином ограничено максимальным диаметром 40 мм (49 мм в США) и отверстием на самолете. бензобак диаметром не более 60 мм.Форсунки для реактивного топлива имеют размер более 60 мм и поэтому не могут быть помещены в авиационный бензобак самолета.
Авиационное топливо должно учитывать несколько других важных свойств в дополнение к характеристикам горения. К ним относятся летучесть (легкость испарения в воздухе), склонность к блокированию паров (кипение в топливных магистралях), легкость запуска двигателя, свойства растворителя и коррозии (которые оказывают неблагоприятное воздействие на топливные системы), а также способность топлива хранить ухудшению при длительном хранении).
Технические характеристики топлива для авиационных поршневых двигателей, использовавшихся в прошлом, приведены в Таблице XVIII. Низкосвинцовый, 100LL, идентичен по содержанию свинца военному классу 100/130.
ТАБЛИЦА XVIII. Спецификации бензина для военной и коммерческой авиации США
| Издательское агентство: Спецификация: | ВМС США MIL-G-5572 F-Amd. 1 и ASTM D 910 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Дата пересмотра: Обозначение марки: Тип топлива: Цвет: | 1979 80/87 Av.бензин Красный | 1981 100/130 Av. бензин Синий | 115/145 Av. бензин Пурпурный | Метод испытаний ASTM | ||
| Состав | Сера (мас.%) | макс. | 0,05 | 0,05 | 0,05 | D-1266 / D-2622 |
| Ароматические углеводороды (об.%) | мин. | 5,0 | 5,0 | D-936, D-131 или D-2267 | ||
| Летучесть | Дистилляция | |||||
| Темп.10% Рек. (° C) | мин. | 75 | 75 | 75 | D-86 | |
| Темп. 40% Рек. (° C) | макс. | 75 | 75 | 75 | ||
| Темп. 50% Рек. (° C) | мин. | 105 | 105 | 105 | ||
| Темп. 90% Рек. (° C) | мин. | 135 | 135 | 135 | ||
| Конечная точка (° C) | макс. | 170 | 170 | 170 | ||
| Сумма. 10% и 50 | ||||||
| Темп. | мин. | 135 | 135 | 135 | ||
| Остаток (об.%) | макс. | 1,5 | 1,5 | 1,5 | ||
| Потери при перегонке (об.%) | макс. | 1,5 | 1.5 | 1,5 | ||
| Плотность, ° API | Отчет | Отчет | Отчет | D-287 | ||
| Давление паров Рейда при 37,8 ° C, кПа | 38,5–49,0 | 38,5–49,0 | 38,5–49,0 | D-323 / D-2551 | ||
| Текучесть | Температура замерзания, ° C | макс. | −60 | −60 | −60 | D-2386 |
| Сгорание | Чистая теплота сгорания, МДж / кг или | мин. | 43,5 | 43,5 | 44,0 | D-240 / D-2382 |
| Анилин-гравитационный продукт | мин. | 7,500 | 7,500 | 9,800 | D-611 или D-287 | |
| Класс детонации, обедненная смесь авиационный рейтинг | мин. | 80 | 100 | 115 | D-2700 | |
| Детонационная способность при наддуве богатой смеси | мин. | 87 | 130 | 145 | D-909 | |
| Коррозия (2 часа при 100 ° C) | Коррозия медной ленты | макс. | 1 | 1 | 1 | D-130 |
| Стабильность | Возможная смола, 16-часовое старение (мг / 100 мл) | макс. | 6,0 | 6,0 | 6,0 | D-873 |
| Осадок (мг / 100 мл) | макс. | 2.0 | 2,0 | 2,0 | D-873 | |
| Загрязняющие вещества | Существующая смола (мг / 100 мл) | макс. | 3,0 | 3,0 | 3,0 | D-381 |
| Реакция воды | ||||||
| Рейтинг интерфейса | макс. | 2 | 2 | 2 | D-1094 | |
| Об. изменение (мл) | макс. | 2 | 2 | 2 | D-1094 | |
| Добавки | Содержание тетраэтилсвинца. | D-3341 | ||||
| г / литр | макс. | 0,14 | 0,56 | 1,28 | D-2599 / D-2547 | |
| Содержание красителя | ||||||
| Синий краситель (мг / литр) | 0,131 макс. | 0.80–1,51 | 0,713–1,24 | D-2392 | ||
| Красный краситель (мг / литр) | 1,83–2,29 | 0,50–0,864 | ||||
| Желтый краситель (мг / литр) | — | 1,4 | — | |||
| Другое | * Кодовый номер НАТО | F-12 | F-18 | F-22 | ||
Как указано выше, бензины классифицируется по классам детонации, и когда обозначение класса включает два числа, например, сорт 100/130, первое число дает оценку для бедной смеси, а второе — для богатой смеси.Если число 100 или меньше, оно относится к октановой шкале, а число 100 или выше — к шкале рабочих характеристик.
Для оценок ниже 100 октановые числа используются в спецификациях и атрибутах классов. Однако октановое число можно преобразовать в число рабочих характеристик в соответствии со следующим соотношением:
[Число рабочих характеристик, PN] = 2800128– [Октановое число, ВКЛ]
Например, требуемое число рабочих характеристик топлива для переменной степени сжатия. в любой данной конструкции двигателя будет примерно пропорционально используемым степеням сжатия.В результате, если для степени сжатия 7: 1 требовалось топливо с показателем эффективности 70, то теоретически для степени сжатия 9: 1 теоретически было бы необходимо значение эффективности 90. На практике, однако, это было бы более 90 показателей производительности.
Точно так же использование топлива более высокого качества позволяет увеличить наддув. Поскольку увеличение степени сжатия и давления в коллекторе действуют так же, как требования к качеству топлива, из этого следует, что если все условия, кроме вышеупомянутых, поддерживаются постоянными, то бездетонационная выходная мощность на данном топливе будет обратно пропорциональна степени сжатия.Например, двигатель мощностью 1600 л.с. при степени сжатия 7: 1 мог развивать только 1600 × 78 = 1400 л.с. при степени сжатия 8: 1. Эти цифры являются приблизительными и служат для иллюстрации взаимосвязи между различными факторами, поскольку предмет достаточно сложен, чтобы оправдать некоторую степень упрощения.
Сортировка топлива таким способом имеет первостепенное значение, поскольку склонность топлива к детонации оказывает заметное влияние на мощность, получаемую от данного двигателя.Таким образом, двигатель, рассчитанный, скажем, на 1450 л.с. на топливе класса 115/145, может безопасно эксплуатироваться только при одной трети этой мощности на классе 73.
В данном двигателе использование топлива более высокого качества, чем для который он был разработан, не даст увеличения производительности, так как он уже работает без ударов при всех настройках мощности. В лучшем случае это не может иметь никакого эффекта; в худшем случае это может вызвать проблемы с загрязнением свинцом в двигателях, не предназначенных для топлива с высоким содержанием свинца.
V.A Реактивное топливо
В отличие от поршневых двигателей, в реактивных двигателях в качестве топлива почти исключительно используется осветительный керосин.Первым в истории реактивным топливом было JP-1 (Реактивное топливо-1, в 1944 году). Это был керосин с температурой замерзания 60,5 ° C и температурой вспышки 43 ° C. Его доступность была ограничена 3% от средней сырой нефти. JP-2 (1945) был отклонен из-за неудовлетворительных характеристик по вязкости и горючести. JP-3 (1947–1951) имел высокое давление паров, сравнимое с таковым у авиационных бензинов. Это, в сочетании с тем фактом, что самолеты с газотурбинным двигателем летают на больших высотах, чем самолеты с поршневыми двигателями, привело к потерям топлива из-за выкипания и запирания пара.JP-4 (1951–1995), обозначаемый как Jet B или с кодом НАТО F-40, представлял собой керосин-бензиновую смесь с максимальным давлением паров 2–3 фунта на квадратный дюйм, чтобы уменьшить испарение топлива и запирание пара. Он имеет температуру застывания -60,5 ° C и температуру вспышки -18 ° C (температура вспышки не включена в спецификации для этого топлива). В середине 1980-х годов из соображений безопасности использовалась антистатическая добавка. JP-4 был основным боевым топливом для всех стран НАТО в течение многих лет, но недавно от него отказались из-за его высокой нестабильности.JP-5 (с 1952 г. по настоящее время), обозначаемый кодом НАТО F-44, используется военно-воздушными силами США. По соображениям безопасности минимальная температура вспышки составляет 60 ° C. Температура застывания составляет -46 ° C, антистатические добавки отсутствуют. JP-6 (1956 г.) был разработан для самолета XB-70; он аналогичен JP-5, но имеет более низкую температуру застывания (-54 ° C) и повышенную термическую стабильность. Нет никаких спецификаций относительно температуры вспышки для этого топлива. JP-7 (1960 г.) разрабатывался для самолета SR-71; он имеет низкое давление пара и прекрасную термическую стабильность на больших высотах и скоростях выше 3 Маха.Он имеет температуру застывания -44 ° C и минимальную температуру вспышки 60 ° C.
JP-8 впервые был использован в 1978 году и обозначается кодом НАТО F-34. JP-8 — это то же топливо, что и Jet A1, но улучшено за счет использования ингибиторов обледенения, присадок, улучшающих смазывающие свойства, и антистатических присадок. Преобразование авиационного топлива в JP-8 было начато в основном из соображений безопасности и завершено в 1995 году.
JPTS (Jet Propellant Thermally Stable, 1956) был разработан для использования в самолетах U-2 и представляет собой керосин с температурой застывания −54. ° C.Топливо усилено термостойкими присадками и имеет минимальную температуру вспышки 43 ° C.
Типовые характеристики реактивного топлива, используемого в военных или гражданских авиалиниях, приведены в Таблице XIX.
ТАБЛИЦА XIX. Типичные свойства авиационного топлива
| Агентство-эмитент: Спецификация: | USAF MIL-T-56241-Amd. 1 | USAF MIL-T-83133A-Amd. | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Дата ревизии: Обозначение марки: Тип топлива: | 1980 JP-4 Широкоформатный | 1980 JP-5 Керосин | 1980 JP-8 Керосин | Метод испытания ASTM | ||
| Состав | Сера, меркаптан (мас.%) | макс. | 0,001 | 0,001 | 0,001 | D-1323 |
| Сера, общая (мас.%) | макс. | 0,4 | 0,4 | 0,3 | D-1266 | |
| Ароматические углеводороды (об.%) | макс. | 25 | 25 | 25 | D-1319 | |
| Летучесть | Дистилляция | |||||
| Темп.10% Рек. (° C) | макс. | Отчет | 205 | 205 | D-86 | |
| Темп. 20% Рек. (° C) | макс. | 145 | Отчет | Отчет | ||
| Темп. 50% Рек. (° C) | макс. | 190 | Отчет | Отчет | ||
| Темп. 90% Рек. (° C) | макс. | 245 | Отчет | Отчет | ||
| Конечная точка (° C) | макс. | 270 | 290 | 300 | ||
| Остаток (об.%) | макс. | 1,5 | 1,5 | |||
| Потери при перегонке (об.%) | макс. | 1,5 | 1,5 | |||
| Плотность, 15 ° C (кг / м 3 ) | макс. | 751–802 | 788–845 | 775–840 | D-1298 | |
| Давление пара при 37.8 ° C, кПа | 14–21 | D-323 / D-2551 | ||||
| Текучесть | Температура замерзания, ° C | макс. | −58 | −46 | −50 | D-2386 |
| Вязкость при -20 ° C (сСт) | макс. | — | 8,5 | 8,0 | D-445 | |
| Сгорание | Чистая теплота сгорания, МДж / кг | мин. | 42,8 | 42.6 | 42,8 | D-240 |
| Анилин-гравитационный продукт | мин. | 5250 | 4500 | D-1405 | ||
| Точка дымообразования | мин. | 20,0 | 19,0 | 19,0 | D-1322 | |
| Коррозия | Коррозия медной ленты (2 часа при 100 ° C) | макс. | 1b | 1b | 1b | D-130 |
| Стабильность | JFTOT AP (мм рт. Ст.) | макс. | 25 | 25 | 25 | D-3241 |
| Код цвета трубки JFTOT | макс. | & lt; 3 | & lt; 3 | & lt; 3 | ||
| Загрязняющие вещества | Существующая камедь (мг / 100 мл) | макс. | 7 | 7 | 7 | D-381 |
| Твердые частицы | макс. | 1 | 1 | 1 | D-2276 | |
| Интерфейс реакции воды | макс. | 1b | 1b | 1b | D-1094 | |
| Индекс водоотделения Модифицированный | мин. | 70 | 85 | 70 | D-2550 | |
| Время фильтрации (минуты) | макс. | 15 | — | — | ||
| Присадки | Защита от обледенения (об.%) | 0,10–0,15 | 0,10–0,15 | 0,10–0,15 | 5330,5340 | |
| Антиоксидант | Требуется | Требуется | Опция | 3527 FED STD 791 | ||
| Ингибитор коррозии | Требуется | Требуется | Требуется | |||
| Деактиватор металла | Опция | |||||
| Антистатический | Требуется | Требуется | ||||
| Другое | * Код НАТО No. | Ф-40 | Ф-44 | Ф-34; F35 | ||
Воздействие на топливо условий высокотемпературного термического окисления приводит к образованию твердых частиц, лаков и смол, которые закупоривают клапаны и фильтры и ухудшают характеристики форсунок форсунок. В крайнем случае, коксование может вызвать серьезное загрязнение форсунок и камер сгорания, что приведет, например, к повторному зажиганию. Повышение термической стабильности «обычных», например, керосиновых топлив типа JP8 с температурой 100 ° F за счет использования недорогих пакетов присадок было предметом U.Программа S. Air Force «JP8 + 100» с 1989 года основана на том, что достижения в области военных систем истребителей потребуют топлива с более чем 50% улучшенной теплоотдачей по сравнению с обычным топливом JP-8.
В ходе этой программы сотни коммерческих добавок были испытаны на характеристики повышения термической стабильности или снижения осаждения. Программа продемонстрировала, что термическая стабильность реактивных топлив (особенно JP-8) действительно может быть улучшена за счет использования определенных добавок и смесей присадок, используемых в относительно низких концентрациях.Кроме того, летные испытания выявили значительное сокращение затрат на техническое обслуживание, связанных с топливом, благодаря более чистому сгоранию.
Однако одним из аспектов введения предпочтительных термостабильных присадок, который вызвал некоторую озабоченность, является связанное с этим влияние на отделение воды и твердых частиц от топлива «JP-8 + 100», хотя с эксплуатационной точки зрения это сводится к минимуму за счет внесение добавки «+100» как можно ближе к обшивке самолета. В результате крупные нефтяные компании оценивают новые многофункциональные присадки, которые повышают термическую стабильность топлива для реактивных двигателей без ущерба для других необходимых элементов качества авиационного топлива, а именно разделения воды и твердых частиц.Более того, JP-8 + 100 станет основой для будущих реактивных топлив как для военных, так и для гражданских самолетов, требующих термостойкости до 482 ° C.
Этот тип присадки может в будущем использоваться в гражданских приложениях и позволит разработчикам газовых турбин будущего использовать повышенный радиатор в топливе и производить более мощные и более эффективные двигательные установки. Вслед за добавками «+100» существуют возможности использования добавок для улучшения рабочих характеристик за счет изменения точки замерзания / точки текучести, а также выбросов дыма / сажи.
В ближайшем будущем могут быть введены добавки, снижающие сопротивление трубопроводу, для использования в распределении авиакеросина. Эти добавки представляют собой полимеры с очень высокой молекулярной массой, которые уже используются в трубопроводах для транспортного сектора для некоторых других нефтепродуктов. Они действуют за счет уменьшения турбулентности и, следовательно, потерь энергии между внутренней поверхностью трубопровода и протекающей через него жидкостью. Для данного размера насоса они позволяют перекачивать больше жидкости. Возник интерес к использованию этих добавок, потому что их дешевле использовать, чем прокладывать трубы большего размера или устанавливать больше насосов, когда поставки в аэропорт достигли своего предела.
Новые продукты, такие как синтезированный авиационный керосин, появляются на рынке все чаще, и больше заводов по переработке, вероятно, будут построены там, где есть запасы природного газа, удаленные от этого рынка. «Биотопливо» также появится на рынке со временем, и скандинавские страны станут главной движущей силой их проникновения на рынок и принятия. Хотя возобновляемые и устойчивые виды топлива могут быть ответом на многие экологические проблемы, с которыми сегодня сталкивается мир, они не обязательно могут быть лучшим топливом для двигателей, как нынешних, так и будущих.Усиление давления с целью вывода этих видов топлива на рынок, безусловно, будет происходить, но его источник и время трудно предсказать.
Поршни двигателя — обзор
3.2 Силовые агрегаты, работающие на природном газе с поршневыми двигателями
Поршневые или поршневые двигатели имеют долгую историю в производстве электроэнергии. Некоторые из самых первых угольных электростанций, построенных в 19 веке, использовали паровые поршневые двигатели для привода генераторов. Современные поршневые двигатели используются в основном на транспорте.Малые двигатели используются в отечественных транспортных средствах, а более крупные — в грузовых автомобилях, локомотивах и кораблях. Эквивалентные двигатели могут быть адаптированы для рынка производства электроэнергии. Что касается выходной мощности, размеры могут варьироваться от 0,5 кВт до 65 МВт.
Есть две основные категории поршневых двигателей, подходящих для выработки электроэнергии, двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия, но только первая из них может работать на природном газе. Двигатели с воспламенением от сжатия обычно работают на дизельном топливе.Также существуют разные циклы, в которых может работать поршневой двигатель. Два наиболее распространенных — это двухтактный и четырехтактный двигатель. Двигатели, использующие оба типа цикла, могут работать на природном газе.
Еще одна переменная — это соотношение воздуха и топлива в камере сгорания (цилиндре) двигателя. Некоторые работают с примерно стехиометрическим соотношением кислорода из воздуха и топлива, так что кислорода достаточно для сгорания всего топлива. Такие двигатели относят к двигателям с богатым горением.Эти двигатели, как правило, работают при высоких температурах сгорания, что может приводить к образованию относительно высоких уровней оксидов азота, а также других загрязняющих веществ. Альтернативой является двигатель, работающий на обедненной смеси, в котором гораздо больше воздуха (и кислорода), чем требуется для сгорания. Избыточный воздух приводит к более низким температурам сгорания в цилиндрах двигателя и снижению уровня загрязняющих веществ в выхлопных газах двигателя. В нормальных условиях двигатель с обогащенным газом обычно обеспечивает более высокий КПД, чем двигатель с обедненным газом.Однако современная конструкция двигателей, работающих на обедненной смеси, позволяет им достигать столь же высокого уровня эффективности при сохранении более низких уровней выбросов.
Как и в случае паротурбинных установок, работающих на природном газе, основным экологическим фактором является NO x . Двигатели с интенсивным сгоранием, работающие на природном газе, обычно требуют какой-либо системы каталитического восстановления для удаления NO x и приведения уровня выбросов в соответствие с местными нормативами. Некоторые двигатели, работающие на обедненной смеси, могут соответствовать экологическим нормам без необходимости в дополнительных системах контроля выбросов.Двигатели также выделяют углекислый газ, но маловероятно, что применение технологии улавливания углерода в поршневых двигателях будет рентабельным, за исключением самых крупных установок.
Поршневые двигатели, работающие на природном газе, доступны мощностью от 0,5 кВт до примерно 6 МВт. Для электростанций большего размера обычно требуется несколько двигателей. Хотя могут быть созданы более крупные поршневые двигатели, они обычно работают на тяжелой нефти в качестве топлива, а не на природном газе. Скорость поршневого двигателя зависит от его размера.Двигатели, работающие на природном газе, могут быть либо высокоскоростными двигателями (1000–3000 об / мин), которые доступны мощностью от 0,5 кВт до 6 МВт, либо среднеоборотными двигателями (275–1000 об / мин), которые обычно начинаются с мощности 1 МВт. Более крупные двигатели с меньшей частотой вращения обычно более надежны и обычно выбираются для непрерывной работы. Там, где требуется прерывистая работа, часто будут выбираться более компактные высокоскоростные двигатели, потому что они, как правило, дешевле, хотя и менее надежны.
Использование двигателей, работающих на природном газе, для выработки электроэнергии разнообразно.Многие из них используются для приложений распределенной генерации, где они поставляют электроэнергию непосредственно местным потребителям. Некоторые из этих двигателей используются в режиме когенерации, в котором отработанное тепло двигателя используется для нагрева воды. Это может привести к очень высокой общей эффективности. Еще одно распространенное применение — резервная сеть, когда системы спроектированы таким образом, что они запускаются, как только происходит отключение сетевого питания. Двигатели, работающие на природном газе, также могут использоваться в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как энергия ветра или солнечная энергия, в приложениях типа микросетей, где они также используются в качестве резервного источника питания.
Поршневые двигателиУзнайте, как работают поршневые двигатели
Знание нескольких общих принципов работы двигателя эксплуатация помогает пилотам эффективно управлять двигателями, продлевает срок службы электростанции, и помогает избежать отказов двигателя.
Основные принципы поршневого двигателя
Поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением являются наиболее распространенными. силовые установки на самолетах авиации общего назначения.Эти двигатели практически идентичны автомобильным двигателям, за тремя важными исключениями:
- Большинство авиационных двигателей имеют воздушное охлаждение. Этот подход экономит вес радиатора и охлаждающей жидкости и добавляет меру безопасности. Потеря охлаждающей жидкости или отказ системы охлаждения в жидкостном охлаждении двигатель быстро вызывает полный отказ двигателя.
- Авиационные двигатели имеют двойную систему зажигания, с энергия для создания искры, генерируемой магнето. Магнето, вращаемое коленчатым валом, не зависимо на батарее самолета. Каждый цилиндр также имеет два Свечи зажигания. При выходе из строя одной вилки или магнето другой обеспечивает искру для сжигания топлива.
- Поскольку авиационный двигатель работает на протяжении всего широкий диапазон высот, регуляторы мощности включают ручное управление смесью, которое пилот использует для поддерживать надлежащее соотношение воздух / топливо, пока самолет поднимается и спускается.
Четырехтактный цикл
Типичный поршневой двигатель работает в соответствии с четырехтактный цикл.
Впуск: Поршень движется вниз в цилиндр, всасывающий воздух и топливо через открытый впускной клапан.
Компрессия: Впускной и выпускной клапаны в цилиндр закрывается, и поршень движется вверх в цилиндр, сжимающий топливно-воздушную смесь.
Мощность: По мере приближения поршня к верхней части цилиндр во время такта сжатия, взрыв электричество от системы зажигания генерирует искру в свечах зажигания. Искры воспламеняют воздух / топливо смесь, которая быстро расширяется при горении. Сила этого расширения толкает поршень обратно в цилиндр. Когда поршень движется вниз, он поворачивает коленчатый вал, на котором крутится гребной винт.
Выхлоп: Когда поршень достигает дна цилиндра открывается выпускной клапан. Поршень затем перемещается обратно в цилиндр, толкая сгоревшие воздушно-топливная смесь из цилиндра.
Каждый цилиндр проходит эти четыре хода в поверните, убедившись, что хотя бы один поршень всегда производящая мощность.
Карбюраторы и топливные форсунки
Большинство поршневых двигателей, используемых в самолетах, имеют либо карбюратор или система впрыска топлива для подачи топлива и воздух в цилиндры.Карбюратор смешивает топливо и воздух до того, как он попадет в цилиндры. Карбюраторы распространены на меньших двигателях, потому что они относительно недорого. В более крупных двигателях обычно используется система впрыска топлива. системы, которые впрыскивают топливо прямо в цилиндры, где он смешивается с воздухом во время всасывания Инсульт.
Системы зажигания
Система зажигания дает искру для зажигания воздушно-топливная смесь в цилиндрах поршневого двигателя.Большинство современных авиационных двигателей используют магнето для генерации Искра. Хотя и не такой изощренный, как электронные системы зажигания, используемые в новейших автомобилях, магнето полезны в самолетах, потому что:
- Они дают более горячую искру при высоких оборотах двигателя чем аккумуляторная система, используемая в автомобилях.
- Они не зависят от внешнего источника энергия, такая как аккумулятор, генератор или генератор.
Начало работы
При вращении магнето генерирует электричество. Итак, чтобы запустить двигатель, пилот должен включить аккумуляторный стартер, который вращает коленчатый вал. После того, как магнето начинают вращаться, они подают искра в каждый цилиндр для воспламенения топливовоздушной смеси и система стартера отключена.Батареи нет больше не участвует в работе двигателя. Если выключен аккумуляторный (или главный) выключатель, двигатель продолжает работать.
Двойное зажигание
Большинство авиадвигателей оснащены двойным зажиганием. система — два магнето, которые снабжают электричеством ток на две свечи зажигания на каждый цилиндр. Один магнито-система подает ток на один комплект заглушки; вторая система подает ток на другой комплект заглушек.Вот почему зажигание включено. Cessna Skyhawk SP Model 172 (с обозначением MAGNETO на некоторых самолетах) имеет пять позиций: ВЫКЛ , L ( слева ), R ( справа ), ОБЕИХ и START . С переключатель в положении L или R , только один магнето подает ток и только один комплект искры заглушки пожаров.С переключателем в ОБЕИХ положение, оба магнето подают ток и оба набора свечи зажигания огонь.
Преимущества двойного зажигания
Самолеты имеют двойную систему зажигания для безопасности и эффективность.
- При выходе из строя одной магнитосистемы двигатель может работайте с другой системой, пока не сможете сделать безопасный посадка.
- Две свечи зажигания улучшают горение и горение смесь, обеспечивающая улучшенные характеристики.
Эксплуатация системы зажигания
Вы должны повернуть ключ зажигания в положение ОБА после запуска двигателя и оставить его на ОБЕИХ во время полета. Выключите после выключения двигатель.Если вы оставите зажигание включенным ОБА (или L или R ), двигатель мог огонь, если винт перемещается из-за пределов самолет — даже если главный электрический выключатель выключенный.
Проверка перед взлетом
Чтобы убедиться, что обе системы зажигания работают правильно, проверьте каждую систему во время обкатки двигателя перед взлетом.Обычная процедура — установить мощность около 1700 оборотов в минуту. Поверните ключ зажигания из ОБЕИХ до R , затем обратно на ОБЕИХ , затем на L , а затем обратно на BOTH . Вам следует вижу небольшое снижение оборотов при каждом переключении с ОБА с до R или L . Если оба магнето работают нормально, капля должна быть не более примерно 75 об / мин.
Выключение двигателя
Вы не должны останавливать поршневой двигатель, поворачивая переключатель зажигания в положение ВЫКЛ . Вместо этого переместите регулятор смеси в положение отключения холостого хода, чтобы выключить подача топлива в цилиндры. После двигателя останавливается, поверните ключ зажигания в положение OFF . Этот процедура гарантирует, что топливо не останется в цилиндрах и что двигатель не заведется случайно, если кто-то поворачивает опору или если нагар внутри цилиндры создают горячие точки, которые воспламеняют остаточные топливо.
Органы управления поршневым двигателем
Большинство современных поршневых двигателей имеют два или три основных контролирует.
- A дроссельная заслонка , орган управления, имеющий наибольшее прямое влияние на мощность.
- Управление воздушным винтом (если самолет оснащен винтом постоянной скорости) для регулировки скорость вращения воздушного винта, измеренная в оборотов в минуту (об / мин).
- Контроль смеси для регулировки воздуха / топлива смеси, когда самолет набирает и опускается.
Карбюраторные двигатели нагреваются до предотвратить образование льда в карбюраторе или растопить его. Двигатели мощностью около 200 лошадиных сил и более обычно имеют закрылки капота, чтобы пилот мог регулировать количество охлаждающий воздух, обтекающий двигатель.Открытие заслонки капота особенно важны при большой мощности такие операции, как взлет и длительный поднимается.
Винты
Поршневые двигатели обычно подключаются к винт фиксированного шага или постоянной скорости.
Гребные винты фиксированного шага прикручены непосредственно к коленчатый вал двигателя и поэтому всегда поворачивайте на той же скорости, что и двигатель.Стойка с фиксированным шагом что-то вроде трансмиссии только с одной передачей. Этот конфигурация компенсирует неэффективность за счет очень проста в эксплуатации. Единственный измеритель, который вы нужно следить за тахометром.
Винт постоянной частоты вращения имеет регулятор. который регулирует угол лезвий для поддержания оборотов в минуту, которые вы выбираете.Этот тип пропеллера делает гораздо больше. эффективное использование мощности двигателя. На низкой скорости, когда требуется максимальная мощность (как при взлете), вы выберите максимальные обороты или «полное увеличение» с помощью управление пропеллером, и лопасти пропеллера соответствуют воздух под небольшим углом. Во время круиза вы регулируете обороты на более низкую настройку, и лезвия откусывают больше воздуха при повороте на более низкой скорости.
Управление мощностью
С гребным винтом фиксированного шага управляющая мощность просто. Нажмите на дроссельную заслонку и обороты (и мощность) увеличивается. Вытяните дроссельную заслонку, и обороты уменьшатся. Быть осознавая, однако, что с увеличением воздушной скорости обороты имеют тенденцию тоже подкрасться. Внимательно следите за тахометром во время спусков на высокой скорости, чтобы убедиться, что обороты остается в пределах.
Винт с постоянной скоростью делает управление мощностью немного сложнее. Вы должны контролировать коллектор манометр, управляемый дроссельной заслонкой, и тахометр, показывающий число оборотов винта. Вы настраиваете об / мин с управлением пропеллером.
При установке мощности винтом постоянной частоты вращения, помните эти основные правила, чтобы не переоценивать двигатель:
Для увеличения мощности
Для уменьшения мощности
|
Двигатели с карбюраторами
Во многих авиационных поршневых двигателях карбюраторы используются для объединить воздух и топливо для создания горючей смеси что горит в цилиндрах.
Как работает карбюратор
Наружный воздух проходит через воздушный фильтр, затем попадает в карбюратор. Воздух проходит через трубку Вентури, узкое горло в карбюраторе. Воздух ускоряется в Вентури и ее давление падает в соответствии с Принцип Бернулли. Частичный вакуум заставляет топливо течь через струю в воздушный поток, где он смешивается с потоком воздуха.Затем воздушно-топливная смесь течет во впускной коллектор, который направляет его к каждому цилиндр.
Правильное соотношение
Карбюратор смешивает воздух и топливо по весу. Поршень двигатели обычно развивают максимальную мощность, когда смесь воздух / топливо примерно 15: 1. откалиброван при давлении на уровне моря для измерения правильного количество топлива с контролем смеси в полном объеме богатое положение.По мере увеличения высоты плотность воздуха уменьшается. Чтобы компенсировать эту разницу, пилот использует регулятор смеси для регулировки воздушно-топливной смеси попадание в камеру сгорания.
Для контроля количества топлива, которое смешивается с воздух, большинство карбюраторов используют поплавок в топливной камере. А игла, прикрепленная к поплавку, открывает и закрывает отверстие в топливной магистрали, дозирование правильного количества топлива в карбюратор.Положение поплавка, контролируется уровнем топлива в поплавковой камере, определяет, когда клапан открывается и закрывается.
Бегущий богатый
Слишком богатая топливно-воздушная смесь, т. Е. он содержит слишком много топлива — вызывает избыток топлива расход, грубая работа двигателя и потеря мощности. Запуск слишком богатого двигателя также охлаждает двигатель, вызывая температуру ниже нормы при сгорании камеры, что приводит к засорению свечей зажигания, среди другие проблемы.
Бережливое производство
Работа со слишком бедной смесью — слишком малой топливо для текущего веса воздуха — приводит к грубая работа двигателя, детонация, перегрев и потеря мощности.
Карбюратор Ice
Испарение топлива и расширение воздуха в карбюратор вызывает внезапное охлаждение воздуха / топлива смесь.Температура может упасть на 60 F (15 C) за доли секунды. Это охлаждение вызывает водяной пар в воздухе конденсируется, а если температура в карбюраторе достигает 32 градусов F (0 В) вода замерзает внутри каналов карбюратора. Даже небольшое накопление этого депозита может ограничить поток воздуха в карбюратор, снижающий мощность. Обледенение карбюратора также может привести к сбою двигателя. отказ, особенно когда дроссельная заслонка частично или полностью закрыта.
Условия обледенения
В засушливые дни или когда температура значительно ниже замерзание, влага в воздухе обычно не вызвать обледенение карбюратора. Но если температура между 20 F (-7 C) и 70 F (21 C), с видимой влажностью или высокая влажность, пилот должен постоянно находиться на предупреждение об обледенении карбюратора.
Показания обледенения карбюратора
Для самолетов с винтами фиксированного шага первый Индикация обледенения карбюратора — падение оборотов на тахометр.Для самолетов с регулируемым шагом (с постоянной скоростью) пропеллеры, первая индикация обычно падение давления в коллекторе. В обоих случаях двигатель может начать работать с перебоями. В самолетах с винты с постоянной частотой вращения, частота вращения остается постоянной.
Оттаивание
Для предотвращения образования льда в карбюраторе и устраняет образование льда, карбюраторы оснащены обогреватели.Нагреватель карбюратора предварительно нагревает воздух перед он достигает карбюратора. Этот предварительный нагрев растапливает лед или снег, попадая в водозабор, тает лед, образующийся в каналы карбюратора (при условии отсутствия скоплений слишком велика), и держит воздушно-топливную смесь выше замерзание, чтобы предотвратить образование льда в карбюраторе.
Использование нагрева карбюратора
При полете в благоприятных для карбюратора условиях обледенение, следите за приборами двигателя, чтобы следить за признаки образования льда.Если вы подозреваете, что Обледенение карбюратора, необходимо полностью нагреть карбюратор немедленно. Оставьте его включенным, пока не убедитесь, что весь лед удален. Частичное нагревание или оставлять тепло на слишком короткое время может усугубить ситуация.
При первом нагреве карбюратора ожидайте падения в об / мин в самолетах с фиксированным шагом пропеллеры; в самолетах с постоянной скоростью пропеллеры, ожидайте падения давления в коллекторе.Если нет Обледенение карбюратора, обороты или давление в коллекторе будет оставаться ниже обычного, пока карбюратор не нагреется. выключен. Если карбюратор обледенел, ожидайте рост оборотов или давления в коллекторе после начального падения (часто сопровождается периодической неровностью двигателя). Когда вы выключаете обогрев карбюратора, частота вращения или коллектор давление поднимается выше значения до подачи тепла.Двигатель также должен работать более плавно после обледенения. растаял.
В крайних случаях обледенения карбюратора, после обледенения был удален, вам может потребоваться подать достаточно нагрейте карбюратор, чтобы предотвратить дальнейшее образование льда.
Нагрев карбюратора в качестве меры предосторожности
Каждый раз, когда дроссельная заслонка закрывается во время полета, особенно когда вы готовитесь к приземлению, двигатель остывает быстро и испарение топлива менее полное чем если двигатель теплый.Если вы подозреваете карбюратор условия обледенения, полностью нагреть карбюратор перед закрыв дроссельную заслонку и оставьте нагрев.
Больше мощности
Использование тепла карбюратора приводит к снижению производительности двигатель и увеличить его работу температура. Поэтому не используйте обогрев карбюратора, когда нужна полная мощность (как при взлете) или во время нормальная работа двигателя, за исключением проверки наличие или удаление наледи карбюратора.
Двигатели с впрыском топлива
Поршневые двигатели мощностью более 200 л.с. часто используют систему впрыска топлива, а не карбюратор.
Система впрыска топлива впрыскивает топливо непосредственно в цилиндров или прямо перед впускным клапаном. В затем топливо смешивается с воздухом в цилиндрах. Потому что это тип системы требует наличия насосов высокого давления, блок управления воздухом / топливом, распределитель топлива и напорные патрубки для каждого цилиндра, это обычно дороже карбюратора.
Как и двигатель с карбюратором, пилот контролирует расход топлива, регулируя контроль смеси.
Преимущества впрыска топлива
Впрыск топлива имеет ряд преимуществ перед карбюраторная топливная система, которые компенсируют ее большая стоимость и сложность.
- Нет возможности обледенения карбюратора (хотя при ударе лед может блокировать воздухозаборники).
- Улучшенный расход топлива.
- Более быстрый отклик дроссельной заслонки.
- Точный контроль смеси.
- Лучшее распределение топлива.
- Более легкий запуск в холодную погоду.
Недостатки впрыска топлива
Впрыск топлива имеет некоторые недостатки, самое важное существо:
- Проблемы с запуском горячего двигателя.
- Паровые пробки при наземных операциях на горячих дней.
- Сложность перезапуска двигателя, который выключается из-за результат топливного голодания.
Двигатель с оппозитными поршнями обещает более высокую эффективность
Пятидесятилетние и в значительной степени бесплодные усилия Mazda по созданию роторного двигателя демонстрируют, насколько сложно вытеснить обычный поршневой двигатель.Тем не менее, новые концепции продолжают появляться, особенно с учетом неустанного стремления отрасли к эффективности. Большинство из них никогда не выходит за рамки стадии дизайна или даже цветного карандаша. Но вот один дизайн, который находится в стадии разработки и показывает многообещающие перспективы.
Это оппозитно-поршневой двигатель Achates, прототип которого был показан на пикапе Ford F-150 на автосалоне в Детройте в 2018 году. Этот двигатель имел три длинных цилиндра в ряд, один коленчатый вал находился ниже, а другой — выше ряда цилиндров.Пара противоположных поршней совершала возвратно-поступательное движение в каждом цилиндре, каждый из которых соединен с собственным коленчатым валом.
Как это работает
Двигатель поршневой двухтактный, что означает отсутствие клапанов. Вместо этого отверстия в стенках цилиндров открываются, когда поршни находятся в нижней части своего хода. Нижние порты — это воздухозаборники, а верхние — выхлопы, а выхлопные трубы опережают воздухозаборник примерно на 10 градусов, чтобы выхлопные трубы открывались первыми. Когда оба открыты, нагнетатель нагнетает свежий воздух в цилиндр с одного конца, чтобы вытеснить выхлопные газы с другого конца.Затем поршни начинают двигаться навстречу друг другу, закрывая оба порта и сжимая воздух. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, когда поршни приближаются к концу своего хода. Таким образом, отсутствуют такты впуска и выпуска, как в обычном четырехтактном двигателе — только такты сжатия и увеличения мощности. Наверное, это легче понять, посмотрев эту анимацию, предоставленную производителем.
Базовая компоновка двигателя Ахатеса существует уже некоторое время.Немецкие люфтваффе начали использовать аналогичные дизельные двигатели Junkers Jumo с оппозитными поршнями в больших самолетах в 1932 году. Более крупные дизельные двигатели с оппозитными поршнями Фэрбенкса-Морса приводили в действие большинство подводных лодок ВМС США во время Второй мировой войны и до сих пор обеспечивают резервное питание для современных атомных подводных лодок.
Создание новой старой идеи
Achates взял эту базовую конструкцию и улучшил характеристики сгорания, а также предоставил возможность адаптировать работу двигателя к различным условиям и видам топлива.Большая часть разработок была сосредоточена на дизельных версиях, но компания также работает над бензиновыми версиями без свечей зажигания — концепцией HCCI (гомогенное воспламенение от сжатия), которую многие разрабатывают, но никто не довел до совершенства.
Теория предполагает, что двигатель с оппозитными поршнями имеет преимущество в эффективности, потому что из-за отсутствия головок цилиндров в систему охлаждения теряется меньше тепла. Представьте себе обычную камеру сгорания, в которой поверхности состоят из днища поршня, короткой цилиндрической окружности и головки блока цилиндров.В конструкции OP каждая пара цилиндров собирается вместе, поэтому головки отсутствуют.
Кроме того, поскольку камера сгорания каждого поршня соединяется с камерой сгорания другого, полученная камера становится толще и меньше похожа на тонкий диск. Ахатес увеличивает это преимущество за счет использования хода, в 1,3 раза превышающего длину ствола. Ахатес тщательно формирует головки поршней, чтобы обеспечить завихрение и качание всасываемого заряда для обеспечения быстрого и стабильного сгорания.
Два противоположных инжектора прямого действия, каждый из которых подает несколько тщательно рассчитанных впрысков, обеспечивают тщательное распределение топлива для сжигания большей части воздуха и ограничения образования твердых частиц.Степень сжатия около 18,0: 1 для бензиновой версии с воспламенением от сжатия (GCI) и немного меньше для дизельной версии обеспечивает хорошую степень расширения для извлечения максимальной механической энергии от каждого события сгорания.
Превосходная очистка — ключ к успеху
Секретный соус для выполнения этой работы — способность контролировать очистку в двигателе. Нагнетатель, который обеспечивает воздух под низким давлением для продувки цилиндров, имеет двухскоростной привод, и его также можно обойти. Эта гибкость позволяет цилиндру не полностью продуваться при определенных условиях.Например, при холодном пуске в результате частичной продувки в цилиндре остается много продуктов сгорания из предыдущего цикла (внутренняя рециркуляция выхлопных газов). Это повышает температуру сгорания и обеспечивает более горячий поток выхлопных газов, чтобы довести катализаторы до рабочей температуры.
Такая более горячая среда сгорания также способствует сгоранию на низких оборотах и при малых нагрузках, что было проблемной областью для обычных двигателей HCCI.Например, на холостом ходу количество остаточных выхлопных газов составляет около 50 процентов. При более высокой выходной мощности цилиндр более тщательно очищается, чтобы снизить пиковые температуры сгорания, тем самым ограничивая выбросы оксидов азота (NOx). Также полезно то, что, хотя двигатель также имеет турбонагнетатель, заменяющий нагнетатель при более высоких нагрузках и повышающий эффективность, двигатель не работает с большим давлением наддува. Вместо этого двухтактная конструкция с вдвое большим количеством ходов на оборот позволяет двигателю соответствовать мощности обычного двигателя без особого наддува, даже когда его рабочий объем уменьшен на 20–30 процентов.
Хотя в этом двигателе нет обычного клапанного механизма, общее трение аналогично обычному двигателю из-за второго коленчатого вала, надежной зубчатой передачи, соединяющей два кривошипа, и необходимости приводить в действие нагнетатель. Вес тоже примерно сопоставим. Двигатель выше обычного двигателя, но, наклоняя его, он обычно помещается под имеющийся капот.
Эффективнее, чем Prius?
Ахатес утверждает, что версия GCI этого двигателя достигнет максимальной эффективности 44%.Это всего на 10 процентов лучше, чем 40-процентный КПД, заявленный двигателем с циклом Аткинсона в нынешней Toyota Prius, но Ларри Фромм, исполнительный вице-президент Achates по развитию бизнеса, говорит, что двигатель Achates обеспечивает такую эффективность в гораздо более широком диапазоне оборотов и нагрузки, чем двигатель Приуса. Например, двигатель Achates GCI в Ford F-150, как говорят, обеспечивает на 30 процентов большую экономию топлива в цикле EPA, чем самый эффективный бензиновый двигатель Ford, 2,7-литровый EcoBoost V-6.Это будет означать, что общий показатель составит около 29 миль на галлон — или на 4 мили на галлон выше, чем у 3,0-литрового дизельного двигателя V-6 Ford в версии этого грузовика с задним приводом.
Ford
К сожалению, мы вряд ли увидим двигатель Achates под капотом легкового или грузового автомобиля в течение нескольких лет. У Achates нет планов по производству двигателей, но он намерен лицензировать свою технологию у признанных производителей. У нее уже есть отношения с Fairbanks-Morse, которая использует технологию Achates для 12-цилиндрового, 24-поршневого, 5000-сильного и 95 000-фунтового стационарного дизельного топлива, используемого для выработки электроэнергии.Фэрбенкс-Морс утверждает, что тепловой КПД составляет 50 процентов.
Achates также работает с Cummins над разработкой двигателя с оппозитным поршнем мощностью 1000 л.с. для боевых машин для армии США. Фромм говорит, что компания ведет переговоры с несколькими крупными автопроизводителями, которые заинтересованы в версии GCI. Но пока нет ничего конкретного и с учетом длительных сроков разработки и испытаний новых двигателей, мы не увидим двигатель Achates на дороге как минимум пять лет.
Автомобильные приложения могут включать подключаемые гибриды
Если вы думаете, что к тому времени электромобили избавятся от необходимости в двигателях внутреннего сгорания любого типа, подумайте еще раз.Если эффективность двигателя будет реализована в процессе производства, достижение федеральных стандартов экономии топлива к 2025 году может быть проще и дешевле с помощью конструкции Achates, чем с помощью электрификации. И, как отмечает Фромм, двигатели с оппозитными поршнями по своей сути гладкие, поэтому одноцилиндровая двухпоршневая версия может стать идеальным расширителем диапазона для PHEV, тем более, что ее можно превратить в плоский корпус, спрятанный под багажником или сиденьем. . Только время покажет, взломал ли Ахат код для двигателей с оппозитными поршнями в легковых и грузовых автомобилях.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
Что такое оппозитный поршневой двигатель и почему он лучше?
ФОРМЫ
С момента своего создания автомобиль подвергался постоянному и неуклонному совершенствованию до такой степени, что средний автомобиль теперь обладает некоторыми чрезвычайно умными и сложными инженерными решениями.
Одним из наиболее впечатляющих компонентов любого автомобиля является его трансмиссия или «коробка передач», и хотя большинство автомобилей не получают преимуществ от этой технологии, синхронизированная коробка передач — это то, чем стремится быть механическая коробка передач с одним сцеплением. По крайней мере, пока.
У каждого есть свои преимущества и недостатки; V — прочный универсал, но он тяжелый, с большим количеством деталей. Inline более эффективен, поскольку легче и проще, но не отличается особой жесткостью, что ограничивает его размер.Горизонтально расположенный плоский двигатель имеет преимущество в производительности по сравнению с другими с хорошим балансом и мощностью, но они очень широкие и занимают ценное пространство, необходимое для других компонентов, и поэтому широко не используются.
СТАРЫЙ ТЕХ
По прихоти или намерению, все эти двигатели имеют общую конструктивную особенность, заключающуюся в наличии только одного коленчатого вала со всеми поршнями, выходящими из него под разными углами.
Предположительно, это было по очень веской причине, но новый тип двигателя очень хорошо убеждает нас, что причина, возможно, больше не действительна.
Двигатель, в котором используются два коленчатых вала на противоположных концах так называемого двигателя с оппозитными поршнями.
Новые технологии и открытия имеют обыкновение заставлять нас пересматривать установленные нормы, за исключением того, что в данном случае задействованная технология вовсе не нова, ей более 100 лет. Варианты конструкции нашли ограниченное применение в различных приложениях с момента ее создания в самом конце 1800-х годов — особенно в военных самолетах во время Второй мировой войны, после чего они почти полностью вышли из употребления по неизвестным причинам.
ДОБАВЛЕНИЕ
Современный и все более распространенный рядный двигатель сократил количество деталей, необходимых для двигателя, тем самым уменьшив вес и повысив надежность за счет использования только одной головки цилиндров и клапанного механизма — без какого-либо ущерба для производительности.
Двигатель с оппозитными поршнями выходит за рамки этого, не имея головок цилиндров вообще, но затем возвращается, поскольку вместо этого требуется два коленчатых вала. Это немного похоже на ограбление Питера, чтобы заплатить Полу, за исключением того, что вы получаете выгоду в других областях.
Изображение предоставлено Pinnacle Engines
Непонятно, в чем причина приверженности единой системе коленчатого вала. Это могло быть результатом того, что когда-то они были дорогими или сложными в производстве, или из-за того, что меньшее количество движущихся частей предназначалось для большей надежности — что обычно и происходит.
По мере развития технологий головка блока цилиндров и клапанный механизм стали намного более сложными и дорогими. Настолько, что кажется, что разработчики автомобилей больше не привязаны к прежнему образу жизни.Но изменения ради перемен бессмысленны, должна быть польза, и, похоже, есть много областей, где это так:
— Имеет более высокий термический КПД за счет более высокой степени заполнения камеры сгорания головкой поршня. Удаление головки блока цилиндров означает, что меньше тепла теряется и больше энергии передается поршню.
— Снижено трение поршневых колец из-за того, что болты головки блока цилиндров не деформируют отверстие.
— На более высоких скоростях создается меньшее трение, поскольку пиковая рабочая скорость двигателя не должна быть такой высокой.
— Поршни тратят меньше энергии на нагнетание и выпуск воздуха, поскольку порты, расположенные вокруг цилиндра, делают это вместо этого, с дополнительным преимуществом повышения эффективности турбонагнетателя и нагнетателя.
— Меньшее давление в цилиндрах означает, что двигатель не должен быть таким сильным и плотным, чтобы выдерживать нагрузки, а это означает, что они могут иметь более легкую конструкцию.
— За счет более низких давлений и температур во время сгорания уменьшается количество образующихся загрязняющих веществ. Кроме того, увеличенная общая длина хода двух цилиндров позволяет топливу сгорать более полно, что приводит к дальнейшему сокращению образования отходов.
— За счет впрыска топлива горизонтально в камеру цилиндра, а не вниз на горячую головку поршня, гашение, вызывающее образование твердых частиц, значительно уменьшается.
— Уменьшение количества необходимых дорогих и сложных деталей приводит к более простому двигателю.Дополнительный коленчатый вал и зубчатая передача этим более чем компенсируются. Более широкая кривая крутящего момента дополнительно снижает количество деталей за счет уменьшения количества необходимых шестерен.
— Требуется меньшая охлаждающая способность, поскольку двигатель выделяет меньше тепла и работает при более низкой температуре.
— Более низкие выбросы означают, что системы управления отходами не должны быть такими обширными, что ведет к уменьшению размеров дорогих каталитических нейтрализаторов.
Учитывая, что в настоящее время основное внимание уделяется выбросам, этот двигатель звучит как воплощенная мечта всей автомобильной промышленности.Есть даже версия этого двигателя, для которой не требуется система зажигания, поскольку он самовоспламеняющийся, что еще больше снижает потребность в запасных частях и техническом обслуживании.
Благодаря повышению эффективности на 30-50%, снижению выбросов, без ущерба для производительности при более низкой стоимости, мы очень хотим увидеть, как он будет развиваться, особенно когда требуется минимальное переоснащение для переключения производства.
Фактически, по крайней мере, одна крупная автомобильная компания уже начала процесс создания собственного OPE, так что, возможно, она только что находит свое применение в следующем новом автомобиле, который вы купите.Может быть …
MAT FOUNDRY GROUP ЯВЛЯЕТСЯ ВЕДУЩИМ ПРОИЗВОДИТЕЛЕМ СЕРЫХ И ЧУГУННЫХ КОМПОНЕНТОВ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ. ЧТОБЫ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ О НАС ПРОСМОТРЕТЬ НАШИ ПРОДУКТЫ ИЛИ СВЯЗАТЬСЯ С НАМИ СЕГОДНЯ
По крайней мере, один автопроизводитель планирует произвести двигатель с оппозитными поршнями
Приятно изучать новые безумные конфигурации двигателей, и каждый год или около того какой-нибудь изобретатель появляется на ежегодной работе Общества автомобильных инженеров в Детройте с другой идеей для «Лучшая мышеловка». Одна из этих идей, по-видимому, преодолела невероятные шансы, с которыми сталкиваются такие нетрадиционные концепции, и направляется к массовому производству с шестью противоположными поршнями, разделяющими три цилиндра и вращающимися двумя коленчатыми валами, которые связаны вместе.Настоящим мы дублируем эту конфигурацию OP-3.
Джеймс Аткинсон, имя которого украшает многие из сегодняшних высокоэффективных двигателей, создал свой цикл на основе двигателя с оппозитными поршнями в 1882 году, но эта идея действительно получила распространение в 30-х и 40-х годах, когда Хьюго Юнкерс построил двигатели с оппозитными поршнями. для самолетов времен Второй мировой войны. С тех пор эта конфигурация использовалась в приложениях с большими двигателями, такими как подводные лодки, грузовые суда и поезда, но именно в 2004 году была запущена Achates Power с целью внедрения этой технологии в основные легковые автомобили, сконфигурированные для установки в основном в вертикальном положении. положение, которое соответствует тому же диапазону, что и обычные I-4 или V-6, с нижним коленчатым валом в том же положении, что и нынешние кривошипы, для легкой интеграции в автомобиль.Первоначально основное внимание уделялось оборудованию для легких грузовиков, поскольку оно представляет собой более сложную задачу и больший потенциал для общей экономии топлива.
Просмотреть все 5 фотографийMotor Trend впервые обнаружил эту технологию на выставке SAE 2014, где мы отметили, что она направляется в производство для стационарной установки для выработки электроэнергии. Примерно через год наш августовский Technologue отметил, что тесты и моделирование предполагали, что 4,9-литровый двухтактный дизельный Achates OP-3 с турбонаддувом и турбонаддувом, настроенный на мощность 275 л.с. и 811 фунт-фут, обещал на 20 процентов лучшую эффективность, чем Ford 6.7-литровый турбодизель PowerStroke V-8. Темпы разработки ускорились в 2015 году благодаря гранту министерства энергетики ARPA-E в размере 9 миллионов долларов на разработку концепции легкого двигателя (еще 14,4 миллиона долларов были выделены на разработку военного применения двигателя для армии). С тех пор Achates эксплуатирует свои двигатели OP на бензине и природном газе, а также на дизельном топливе и JP8, все с воспламенением от сжатия.
Во время отраслевых дней на Североамериканском международном автосалоне в 2017 году генеральный директор Дэвид Джонсон объявил, что к 2018 году Achates выпустит управляемый прототип грузовика с двигателем 2.7-литровый 270-сильный турбодизельный двигатель OP-3 с турбонаддувом мощностью 479 фунт-фут, отвечающий требованиям стандартов Tier 3, LEV III, Euro 6 и превышающих стандарты CAFE 2025 года (его прогнозируемые значения на этикетке EPA будут 25/32/28 миль на галлон город / шоссе / комбинированный, что дает нескорректированную цифру CAFE 37 миль на галлон, когда 33 требуется для грузовиков с площадью основания 65-70 квадратных футов). Джонсон также заявил, что он будет на 30 процентов эффективнее лучших дизельных двигателей сопоставимой мощности и на 50 процентов экономичнее лучших аналогичных газовых двигателей.Но большей неожиданностью стало его заявление о том, что из девяти автопроизводителей, которые подписались в качестве партнеров по разработке, по крайней мере, один из них начал наращивать инструменты для создания массового двигателя с оппозитным поршнем.
Почему это эффективно:
- Тепловой КПД: Низкое отношение площади поверхности камеры сгорания к рабочему объему цилиндра и отсутствие головки блока цилиндров означает, что в систему охлаждения отводится гораздо меньше тепла, поэтому больше тепла сгорания переходит к движению автомобиля.
- Пониженное трение: Без болтов головки блока цилиндров, искажающих отверстие, трение в кольце меньше, а более низкая пиковая рабочая скорость любого двигателя с воспламенением от сжатия снижает трение.
- Нижняя насосная работа: Впускной и выпускной патрубки входят и выходят через отверстия, расположенные вокруг цилиндра в верхней и нижней части хода поршня, поэтому поршни не выполняют перекачивание. Поскольку некоторые из этих портов постоянно открыты на двигателе с тремя или более цилиндрами, нагнетатель и турбонагнетатель также работают более эффективно.
- Более легкий вес: Более низкое давление в цилиндрах означает, что даже дизель не нуждается в такой же «закалке», как обычный четырехтактный дизель.
Почему сокращаются выбросы:
- Работа охладителя: Более низкие пиковые значения давления и температуры в цилиндре снижают количество NOx и других загрязняющих веществ, образующихся в цилиндре.
- Горизонтальный прямой впрыск: Две топливные форсунки распыляют поперек цилиндра, а не на горячие поршни, что может вызвать гашение, что приводит к образованию твердых частиц.Кроме того, ход достаточно длинный, чтобы полностью сжечь углеводороды.
Почему затраты ниже:
- Более простая сборка: Устранение головки блока цилиндров, клапанного механизма и их механической обработки частично компенсируется добавлением второго коленчатого вала и шестерен, соединяющих кривошипы, но общая сборка должна быть проще. Также обратите внимание, что конструкция Ахатеса требует лишь минимального переоснащения существующих заводов по производству двигателей.
- Сниженные потребности в охлаждении: Поскольку он выделяет меньше тепла, размеры системы охлаждения, вероятно, можно уменьшить.
- Меньше выбросов, требующих контроля: Более чистые выбросы из двигателя позволяют уменьшить размеры всех катализаторов и / или снизить содержание в них драгоценных металлов.
- Широкая кривая крутящего момента: При широком диапазоне крутящего момента и КПД двигателя не так важно вкладывать средства в девяти- или 10-ступенчатую коробку передач.
Итог: Ахатес утверждает, что выполнение требований CAFE к 2025 году с этим двигателем будет стоить примерно на 1000 долларов меньше, чем при дальнейшей модификации и / или электрификации нынешнего поколения двигателей.