Что такое паровой дизельный двигатель

Паровые установки для выработки электро- и тепловой энергии

Исторически под паровой машиной понимали работающий на водяном паре тепловой двигатель поршневого типа, а когда были изобретены паровые турбины, подобные двигатели часто стали называть турбомашинами.

Дешевые виды местного твердого топлива из биомассы (дрова, древесные пеллеты, брикеты, щепа, опилки) используются для генерации электроэнергии или когенерации, для чего разработаны несколько технологий. Основные:

• газификация — получение низкокалорийного горючего (генераторного) газа с его последующим использованием в газопоршневом двигателе, приводящем в действие электрогенератор;
• сжигание твердого топлива в паровом котле и использование полученного пара для работы паровой турбины;
• сжигание твердого топлива в паровом котле и использование пара для работы поршневого парового двигателя (классической паровой машины или парового поршневого двигателя).

Паровой двигатель Spilling

Газовый детандер Spilling

Главным достоинством современных паровых поршневых двигателей (машин) по сравнению с маломощными (особенно одноступенчатыми) паровыми турбинами является меньший удельный расход пара при равных параметрах давления и температуры пара на входе и выходе и при одинаковой мощности паровой машины и паровой турбины. К плюсам классических паровых машин также надо отнести, по сути, постоянный удельный расход пара при изменении нагрузки в широких пределах (в отличие от двигателей внутреннего сгорания — ДВС) при постоянной частоте вращения (работе на синхронный электрогенератор).

А теперь сравним паропоршневые установки (ППУ) с газопоршневыми (ГПУ). Для работы ГПУ в качестве топлива используется не только природный газ, но и с недавнего времени биогаз и генераторный газ, полученный в результате газификации биомассы. При работе классического поршневого двигателя на генераторном газе мощность двигателя падает до 60%. Но если сравнивать с классической паровой машиной, для работы которой используется водяной пар, то, согласно термодинамическому циклу Карно, его экономичность выше за счет того, что температура продуктов сгорания в ГПУ выше температуры пара, ограниченной теплостойкостью материалов парового котла. Однако при работе ГПУ горючий газ высокой температуры необходимо охлаждать перед подачей в цилиндр газопоршневого двигателя, а это приводит к сбросу во внешнюю среду около 20% теплоты сгорания твердого топлива и делает ГПУ неконкурентоспособным классической паровой машине. Принципиальным отличием паропоршневых двигателей от газопоршневых является наличие у первых накопителя энергии — парогенератора (парового котла), который играет роль пароводяного аккумулятора. Большое значение имеет и стабильность рабочего тела (пара). Отсюда следует, что кратковременные остановки котла не приведут к немедленной остановке самой паровой машины. Чего не скажешь о газопоршневом двигателе, в котором при загрузке газогенератора топливом возможно изменение состава газа, а это может привести к остановке двигателя. Существенное преимущество паровых двигателей заключается также в том, что для работы специализированных паровых котлов можно использовать биомассу (щепу или дрова) естественной влажности, а для газогенераторных установок влажность сырья, как правило, не должна превышать 20%. К тому же ГПУ требует более тщательного ухода, в отличие от паропоршневого двигателя. Преимуществами ППУ перед ГПУ и ДВС являются высокая выносливость и долговечность, простота обслуживания и ремонта и возможность работы, по сути, на любом виде дешевого местного твердого топлива. Последнее условие важно, потому что обеспечивает возможность широкого использования топливных ресурсов на местах и независимость от привозного топлива (к примеру, от топлива так называемого северного завоза в России).

Выше мы сравнивали паровые машины с газопоршневыми двигателями, которые работают на газифицированной биомассе. Понятно, что при работе ГПУ на природном газе при генерации только электроэнергии их преимущество неоспоримо. Однако при когенерации расклад не в пользу ГПУ; утилизировать тепловую энергию выхлопных газов значительно сложнее, чем тепловую энергию выхлопа паровой машины, т. к. коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара в теплообменнике в десятки раз выше коэффициента выхлопного газа ГПУ. Паровая машина экологичнее за счет меньшего объема выбросов NO и CO. Работающие паровые двигатели замкнутого цикла менее шумные, чем ГПУ и ДВС. Паровая машина вполне может конкурировать и с паровой турбиной мощностью 1000-2500 л. с. Конечно, по размерам и весу паровые машины больше в сравнении и превосходят паровые турбины, но за счет меньшей частоты вращения вала ППУ нет необходимости устанавливать редуктор. Ведутся и разработки компактных поршневых паровых двигателей. Например, компания из США Cyclone Power Technologies Inc. разработала паропоршневой двигатель со звездообразным расположением цилиндров мощностью 75 кВт, КПД 31,5% — по аналогии с бензиновыми авиационными моторами, которые используются до сих пор на труженике советской и российской авиации — знаменитом биплане Ан-2.

Использование паровых машин

За рубежом в малой энергетике (мини-ТЭС) вместо малых паровых турбин успешно используются паровые машины, или, как сегодня принято говорить, паропоршневые (паровые) моторы или двигатели. Основной отличительный признак паропоршневых моторов от паровых машин — иной тип парораспределения. Паропоршневые моторы предназначены для работы с однократным расширением пара: пар из котла поступает параллельно во все цилиндры, подобно тому как поступает топливно-воздушная смесь в цилиндры ДВС. А в классических паровых машинах пар проходит через все цилиндры последовательно и расширяется многократно.

Мировую известность получили немецкие паровые моторы фирмы Spilling. Это одноступенчатые поршневые паровые машины противодавленческого типа с системой золотникового расширения пара, отличающиеся от других современных паровых машин, которые работают по многоступенчатому принципу. К сожалению, у модельного ряда паровых машин Spilling очень узкий диапазон мощности: от 100 кВт до 1,2 мВт. Но ресурс у них довольно большой, и в последние годы компания-производитель предлагает их на российском рынке для установки на мини-ТЭС, работающих на биотопливе, на производствах, где есть возможность и необходимость редуцирования пара с расходом от 2,5 т/ч и на установках для утилизации отходов (ТБО, ТКО и др.). Компания Spilling поставляет паропоршневой двигатель в сборе с электрогенератором как готовый к работе агрегат с системой управления, автоматизации и программным обеспечением. Такой двигатель может также работать на природном газе либо биогазе в качестве детандера. Стоимость 1 кВт установочной электрической мощности при расчетах можно принять от 1500 евро FCA. Основные технические данные паропоршневых двигателей Spilling: электрическая мощность 100-1200 кВт; частота вращения — 750, 900 и 1000 об/мин; давление пара на входе — 4-60 бар, на выхлопе — 0,2-15 бар; температура насыщения пара — до 480°С. Для многих двигателей Spilling в качестве топлива используют биомассу, в первую очередь древесную. Например, на одном из деревообрабатывающих предприятий в Африке установлен трехцилиндровый одноступенчатый паропоршневой двигатель Spilling электрической мощностью 437 кВт с давлением пара на входе 9 бар и на выхлопе 0,5 бар. Отходящий пар используется для обеспечения работы сушильной камеры. После ввода в эксплуатацию этого двигателя предприятие обеспечило себя дешевой электро- и тепловой энергией и, что особенно важно, обрело независимость от поставок электроэнергии из общей сети.

В числе других европейских производителей паропоршневых двигателей можно назвать чешскую компанию Tenza s. a., которая предлагает паровые двигатели мощностью от 10 до 120 кВт, и шведскую компанию Energiprojekt i Sverige AB, которая производит паровые двигатели мощностью от 500 до 1000 кВт с давлением пара на входе 30-60 бар и с заявленным КПД 25-30% (машины работают по термодинамическому циклу Ренкина с регенерацией и полезным использованием теплоты конденсации пара). Австрийская компания Foerdertechnik GmbH производит когенерационные паровые машины электрической мощностью 150 и 300 кВт и тепловой — 110 и 220 кВт соответственно, в топках паровых котлов которых можно сжигать биомассу, в частности щепу. Максимальная температура пара — 350°С, давление — 32 бар, паропроизводительность 200 кг/ч. Но стоимость этих машин, конечно, очень высокая — 280 тыс. и 480 тыс. евро. При такой стоимости эти «золотые» машины можно использовать только в некоторых европейских странах (Австрии, ФРГ и др.), где реализуются масштабные программы поддержки и субсидий ВИЭ и гарантируется оплата генерируемой электроэнергии по «зеленому» тарифу в течение продолжительного времени (до 20 лет). Поскольку в России о таких тепличных условиях можно только мечтать, то ориентироваться нужно в первую очередь на отечественных и азиатских (КНР, Тайвань, Вьетнам и др.) производителей и разработчиков оборудования. В мире производят сегодня и так называемые паровинтовые машины, которые в большей степени можно отнести к категории турбин, только ротор у этих машин не с лопатками, как у классических турбин, а в виде винта Архимеда — в основном цилиндрической или конусно-винтовой формы.

Первый отечественный паропоршневой мотор был спроектирован в Московском авиационном институте (МАИ) в 1936 году и предназначался для силовой установки экспериментального самолета. Двигатель работал на перегретом паре с давлением 6 МПа и температурой 380°С и на оборотах до 1800 об/мин.

В современной России нужно выделить научную группу «Промтеплоэнергетика» МАИ, которая предлагает довольно оригинальное решение вопроса экономически целесообразного применения паропоршневых машин в малой и децентрализованной энергетике России. Разработчики предлагают создавать паропоршневые двигатели на базе серийно выпускаемых дизельных поршневых двигателей. В конструкции ДВС сохраняется почти весь механизм газораспределения, который в ППУ становится механизмом парораспределения, также сохраняется кривошипно-шатунный механизм. Подобный подход обеспечивает низкую стоимость парового двигателя, в отличие от зарубежных аналогов, благодаря тому, что в производстве используются серийные автомобильные двигатели и запчасти к ним. Кстати, понятие «паропоршневые двигатели» впервые было введено в 2003 году именно научной группой «Промтеплоэнергетика» МАИ.

Где использовать паровые машины эффективно?

В качестве объектов, энергетическую эффективность которых можно повысить при использовании современных паровых машин, могут выступать:

• промышленные и муниципальные котельные с паровыми котлами (паровая машина для привода электрогенератора);
• паросиловые мини-теплоэлектроцентрали (мини-ТЭЦ), где паровую машину целесообразно устанавливать вместо маломощных паровых лопаточных и винтовых турбин, особенно если электрическая мощность последних до 1,2 МВт и они изготовлены в одноступенчатом варианте или же в многоступенчатом, но без промежуточного отбора пара;
• технологические производственные установки на предприятиях, где по условиям реализации основных процессов выпуска продукции есть возможность с помощью парового котла-утилизатора использовать сбросное тепло (например, в металлургии подобными установками могут выступать крупные сталеплавильные печи, а в стекольной промышленности — печи для варки стекла, на цементных, консервных и маслоэкстракционных, ликероводочных заводах и во многих других отраслях промышленности). Использование для этого технологии ORC (органического цикла Ренкина) — более дорогое решение, учитывая и то, что модули ORC в России не производятся.

Технологические решения для мини-ТЭС — конденсационных мини-электростанций (мини-КЭС) и мини-ТЭЦ — с использованием современных паровых машин принципиально схожи с известными, реализуемыми на паротурбинных мини-ТЭС. Это комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация на мини-ТЭЦ, в т. ч. создаваемых на базе котельных с паровыми котлами) либо так называемая тригенерация (см. рис. 1), т. е. выработка одновременно трех видов энергии (электрической, тепловой и холодильной). В качестве холодопроизводящего оборудования при тригенерации на паросиловых мини-ТЭС используются абсорбционные холодильные машины, для работы которых вполне достаточно отработавшего в паровом двигателе водяного пара. Такой вариант значительно экономичнее, чем выработка холода с помощью электрических кондиционеров.

В качестве заключения

Паропоршневые мини-ТЭЦ, работающие на биомассе, энергоэффективнее паротурбинных, газопоршневых (при работе на генераторном газе, полученном путем газификации биомассы) и дизельных. В паропоршневых мини-ТЭЦ удельный расход пара на выработку электроэнергии в 1,3-1,5 раза меньше, чем в паротурбинных мини-ТЭЦ, особенно при мощности 1200-1500 кВт. Современные паровые поршневые машины вполне могут использоваться в децентрализованной энергетике России. Применяя местные альтернативные виды топлива, в основном древесную биомассу, можно успешно заменить во многих регионах дизель-генераторы паровыми машинами (паропоршневыми установками) и дополнительно получать тепловую энергию, в результате отказаться от северных завозов угля и дизтоплива. Применение ППУ может способствовать энергосбережению при эксплуатации технологических и энергетических установок, в частности тех, у которых при работе выделяется сбросное тепло в виде выхлопных или дымовых газов.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ, Германия,
s.perederi@eko-pellethandel.de

В статье использованы некоторые материалы научной группы «Промтеплоэнергетика» МАИ и кафедры «Атомная и тепловая энергетика» Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого

История изобретения парового двигателя

Упоминание о первых паровых машинах датировано первым столетием нашей эры. Устройство, описано Героном Александрийским ‒ пар выходил из сопл, закреплённых на шаре, и приводил в движение двигатель.

Правда, настоящая паровая турбина появилась в Египте в 16 веке. Ее изобрел араб Таги-аль-Диноме.

Подобную машину построил 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка. То есть, как только в обществе наступило экономическое благополучие и возникла необходимость в данном механизме, его тот час же изобрели.

В конце 17 века были созданы ещё две модели: в Испании двигатель сконструировал Аянс де Бомонт, а в Англии Эдвард Сомерсет в 1663 году установил паровую установку для закачки воды в Большую башню замка Реглан. Но все проекты быстро сворачивались и забывались. Тогда, как впрочем, и сейчас все новое не воспринималось большинством, и деньги на разработку никто давать не решался.

Паровой котёл создал француз Дени Папен. Он же изобрёл и предохранительный клапан для стравливания избыточного давления. Дело в том, что высокое давление, создаваемое паром, приводило к частым взрывам.

Кстати, в то же время появилось и расхожее выражение: «выпустить пар», которое означало ‒ успокоить нервы, пошумев на окружающих, без сноса собственного котелка и без жертв среди мирного населения.

Но на этом история паровых двигателей не прервалась. Англичанин Томас Ньюкомен в 1712 году сделал шахтный насос для подачи воды на верх. Двигатель Ньюкомена стал пользоваться спросом, с его массового выпуска началась английская промышленная революция.

В России первую паровую машину в 1763 году спроектировал И.И.Ползунов. С ее помощью приводились в действие воздуходувные меха на заводах.

А француз Николас-Йозеф Куньо шесть лет спустя сконструировал первую паровую телегу. Она приводила в движение сельскохозяйственные механизмы.

А в 1788 году Джон Фитч построил пароход, который вмещал 30 человек, и шел со скоростью до 12 километров в час.

В 1804 году на металлургическом заводе в Южном Уэльсе был испытан первый железнодорожный паровой поезд, его построил Ричард Тревитик.

Как на восходе авиации: почти паровые машины

В авиации для увеличения подъемной силы самолету добавляют второе крыло. Точно так же в энергетике и на транспорте с целью улучшения сгорания углеводородного топлива используют второй компонент – присадку.

На заре развития летательных аппаратов тяжелее воздуха выдающийся русский ученый Николай Егорович Жуковский, чей 170‑летний юбилей отмечался в России в начале этого года, сказал, что человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума. Если перефразировать это пророческое выражение отца русской авиации применительно к стационарной и транспортной тепловой энергетике, то можно отметить, что человек достигнет успехов в использовании углеводородного топлива, опираясь не на объемы его природных запасов, а на познание физики его горения. Это должно будет дать ключ к реализации принципа «вода и немного топлива» почти паровой машины или паровой машины внутреннего сгорания. Он заключается в использовании при работе поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) воды либо водяного пара и малого количества углеводородного топлива.

Полезная вода

С давних времен вода и огонь известны человеку как совершенно противоположные стихии. Люди заливают водой огонь, когда хотят потушить его. Горящие торфяники и леса как последствия палящих солнечных тепловых потоков природа устраняет обширными проливными дождевыми потоками воды. Все эти явления в макромире кажутся для нас вполне очевидными. Однако взаимные отношения между процессом горения и водой в микромире не так очевидны и даже удивительны (Ю. П. Рассадкин. Вода обыкновенная и необыкновенная. – М., 2008).

Обычно присутствие воды в углеводородном топливе принято считать явлением неблагоприятным, приводящим к снижению теплоты сгорания топлива. При попадании воды в топливо ДВС начинает работать неустойчиво и в конечном итоге может заглохнуть. Поэтому, как известно, допустимое содержание воды в углеводородном топливе регламентируется соответствующими нормативными документами в области качества топливной продукции. Однако экспериментально и теоретически доказано, что процесс горения углеводородов без воды не происходит. Важно только суметь обратить негативное явление в позитивное (В. М. Иванов, Л. В. Сергеев. Применение топливо-водяных эмульсий в двигателях внутреннего сгорания// Новые методы сжигания топлив и вопросы теории горения: сборник статей / Академия наук СССР, Институт горючих ископаемых; отв. ред. Б. В. Канторович. – М., 1965. – С. 162‑165).

Мнение о плохой работе ДВС на обводненном углеводородном топливе не является вполне справедливым. Все зависит от того, в каком виде вода присутствует в топливе. Если в последнем она содержится в виде отдельных скоплений, т. е. в неорганизованном виде, либо неравномерно подается вместе с рабочей смесью в камеру сгорания ДВС, то в данных случаях это действительно негативно отражается на работе двигателя.

Для достижения положительного эффекта от впрыска воды в ДВС необходимо, чтобы она была равномерно распределена по всей массе рабочей топливной смеси. Еще в Советском Союзе, рассматривая значение воды в процессах сгорания углеводородного топлива, протекающих в цилиндрах ДВС, академик Евгений Алексеевич Чудаков показал, что вода не только участвует в процессах теплообмена, отбирая часть тепловой энергии от сгорания топлива на свое испарение и перегрев паров, но и непосредственно в процессах горения рабочей смеси. Свои взгляды на роль воды в процессе сгорания углеводородного топлива в цилиндрах ДВС он подтвердил экспериментально в автомобильной лаборатории Академии наук СССР в 1950 и 1951 гг.

В энергетике горения углеводородных топлив обнаружено немало совершенно поразительных явлений. К примеру, процесс сгорания угольной пыли улучшается, если ее смочить водой. Водотопливные эмульсии (ВТЭ) с содержанием воды до 50 % и даже больше обеспечивают при своем сгорании уменьшение расхода топлива энергетической установкой, что успешно используется при сжигании мазута в промышленных котельных установках (В. М. Иванов. Топливные эмульсии. – М., 1962). Нормальное функционирование ДВС без потерь мощности обеспечивается при работе на ВТЭ с содержанием воды вплоть до 70 %! Известна и так называемая «водная плазма», которую предлагал энтузиаст Ю. И. Краснов в качестве альтернативы традиционным углеводородным топливам, на основе обычной воды в объеме от 90 до 99,5 % и горючего вещества – от 0,5 до 10 %. Так или иначе, при подаче топлива и определенным образом воды в ДВС повышаются их экономичность, мощность, ресурс и экологические показатели работы.

Приведенные выше факты, особенно касающиеся ДВС, действительно поражают воображение. С начала 2000‑х гг. в мировом судовом дизелестроении активно пошел процесс перевода ДВС на использование высокодисперсных ВТЭ для повышения топливной экономичности и экологичности рабочего процесса судовых дизельных двигателей. Правда, необходимо отметить, что применение ВТЭ в судовых энергетических установках началось гораздо раньше (О. Н. Лебедев, В. А. Сомов, В. Д. Сисин. Водотопливные эмульсии в судовых дизелях. – Л., 1988). Однако мировая автомобильная промышленность на профессиональном уровне изготовителей пока остается верной классике – использованию для работы автомобильных ДВС бензина и дизельного топлива.

Кстати, уже в 1930‑х гг. чисто паровые автомобили достигли такого уровня совершенства, что внешним видом фактически не отличались от своих конкурентов с ДВС. Однако первые при работе превосходили вторые, в частности, по чистоте выхлопа. Вот и сегодня, если дополнить, к примеру, бензиновый автомобиль компактным паровым котлом и баком с водой, трудно будет догадаться, что автомобиль работает фактически на воде, потребляя лишь немного топлива. Правда, конверсия автомобиля с ДВС в паровой – дело довольно хлопотное. Нужно изготовить паровую поршневую машину, паровой котел с топкой для твердого топлива либо горелкой для жидкого или газообразного топлива и многое другое. Но вот снизить расход углеводородного топлива и повысить экологические показатели работы ДВС вполне реально без всего этого уже сегодня.

Технологии

Классическая идея реализации процесса генерации водяного пара с последующей его подачей в ДВС представляется, на первый взгляд, следующим образом. На борту транспортного средства устанавливается компактный паровой котел-утилизатор, функционирующий на отработавших газах ДВС. Вода подается в этот котел из отдельного бака, который тоже монтируется на транспортном средстве. При работе дизельного двигателя водяной пар в некоторой пропорции и в определенные промежутки времени впрыскивается вместе с воздухом в цилиндры. Если же говорить о бензиновом ДВС, то можно предположить, что пар необходимо подавать вместе с воздухом в карбюратор, где и будет готовиться вся рабочая смесь, состоящая из бензина, воздуха и водяного пара. Однако практическое воплощение этих радужных замыслов может выглядеть несколько иначе.

Введение дисперсии воды в углеводородное топливо либо водяного пара во впускной воздушный тракт дизельного двигателя; использование портативных гомогенизаторов, встраиваемых в топливную систему бензиновых ДВС; знаменитая топливная ячейка изобретателя Стенли Мейера (Stanley Meyer) из США… Этот перечень удивительных способов и устройств для использования воды как составного компонента топлив, на которых могут успешно работать ДВС, является в настоящее время весьма обширным (как минимум – сотни три патентов по всему миру). Например, хорошо известны по патенту США US 5,794,601 устройства подачи отработавших газов, пропускаемых через воду, во впускной тракт авиационных, автомобильных и машинно-тракторных ДВС, которые предложил американец Пол Пантон (Paul Pantone). Применение так называемых «бульбуляторов», или реакторов Пантона, гарантированно снижает расход углеводородного топлива в пределах от 15 до 20 % и концентрацию вредных веществ в отработавших газах.

Не стоит забывать, что в Советском Союзе многие энтузиасты и изобретатели тоже успешно примиряли воду с углеводородным топливом для процесса совместного сгорания в цилиндрах ДВС. К примеру, можно отметить следующие авторские свидетельства СССР: SU 993989, SU 1271993, SU 1574882. Весьма интересные технические решения отражены, например, и в ряде патентов РФ на изобретения: RU 2002092, RU 2143581, RU 2352805. Причем стоит заметить, что данную тематику развивают не только отдельные энтузиасты, но и специалисты в научно-исследовательских учреждениях. Проблемами впуска воды, водяного пара и сгорания топлива в ДВС занимаются, скажем, доктор технических наук Анатолий Васильевич Дунаев и его коллеги во Всероссийском научно-исследовательском технологическом институте ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ). Положительные результаты по подаче водяного пара во впускной тракт дизельного двигателя на тракторе – лишь малая часть заслуг ученых и инженеров из ГОСНИТИ, лишний раз подтверждающих необходимость изучения тайн союза воды и огня на микроуровне для улучшения экологических и экономических показателей работы сельскохозяйственной техники и автомобилей.

Перспективы

Еще в прошлом веке германский изобретатель Виктор Шаубергер (В. Шау­бергер. Энергия воды / Пер. с англ. М. Новиковой. – М., 2007) отмечал, что заключительная победа над проблемами воды будет достигнута русскими, которые ближе к природе. Не вызывает сомнений и тот факт, что экологически и экономически весьма выгодно внедрять рассмотренные выше технологии на транспорте с ДВС. Кроме этого, в стационарной энергетике возможно существенно снизить расходы на приобретение дорогого привозного топлива для дизельных электрических станций. Они все еще используются в качестве основных источников электрической энергии в негазифицированных регионах страны. Технологии впрыска воды и водяного пара в ДВС ощутимо повысят и экологические показатели работы таких энергетических установок. Все это приблизит человечество к его устойчивому развитию с окружающей природой.

О топливной эффективности дизеля

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного больше крутящий момент, сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению степени сжатия, есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

На этом заканчиваю, читайте наш АВТОБЛОГ.

(59 голосов, средний: 3,78 из 5)

Принцип работы

Дизельные двигатели делятся на двух- и четырехтактные. Первый вариант в сегодняшних условиях используется крайне редко, а потому детально рассматривать его попросту не имеет смысла. Стандартный принцип работы обычного четырехтактного двигателя предполагает, что вполне логично, 4 основных этапа:

1. Впуск. Коленвал поворачивается в диапазоне между 0 и 180 градусами. На этой стадии воздух подается в цилиндр.

2. Сжатие. Положение коленвала изменяется со 180 до 360 градусов. Это обеспечивает движение поршня к так называемой верхней мертвой точке (ВМТ), что приводит к сжатию воздуха в цилиндре в 16-25 раз.

3. Рабочий ход с последующим расширением. Коленвал осуществляет перемещение между 360 и 540 градусами. В камеру сжигания через форсунки впрыскивается топливо, которое при смешивании с воздухом воспламеняется. Это происходит чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ.

4. Выпуск. Коленвал завершает оборот, перемещаясь между 540 и 720 градусами. В результате очередного перемещения поршня в верхнюю часть цилиндра из камеры сгорания удаляются отработанные газы. После этого цикл начинается заново.

Снег — знак победы

Брюсу не терпелось проверить свою идею на практике. В его домашнем гараже давно стоял одноцилиндровый дизельный мотор, переделанный под бензин. Его-то он и решил использовать для проверки гипотезы. Мотор получил новый распределительный вал под два «лишних» такта и модернизированную систему впрыска. Ненужная дизельная форсунка была приспособлена под впрыск воды, а вентилятор системы охлаждения для «чистоты» эксперимента отсоединен. Когда, наконец, все было готово, Брюс присоединил к топливному тракту два бачка — с бензином и чистой дождевой водой, рванул тросик стартера, и двигатель заработал. Через пару секунд на ошарашенного Брюса откуда-то сверху начал падать «снег». Это были кусочки белой краски, отвалившиеся от потолка из-за направленного вверх открытого выпускного коллектора, извергавшего горячий пар вперемежку с выхлопными газами. Мотор нормально работал больше часа, но его можно было спокойно касаться руками — он был едва теплым!

Целый год после этого Брюс Кроуэр экспериментировал с различными настройками газораспределения и впрыска воды. И только наверняка убедившись, что концепция Steam-o-Lene работоспособна, он приступил к оформлению патента. Любопытно, что идея шеститактного ДВС с впрыском воды в цилиндры еще за 90 лет до Брюса Кроуэра пришла в голову некоему Леонарду Дайеру из штата Коннектикут. Дайер даже запатентовал свое изобретение в 1920 году, но за все эти годы никто из автопроизводителей им так и не заинтересовался. В 2007 году патентное ведомство США признало приоритет за Брюсом Кроуэром.

Электромобиль

Как не странно, но в период с 1900 по 1910 годы электромобили составляли около 40% всех автомобилей, ещё столько же было с паровым двигателем и только 20% с двигателем внутреннего сгорания. Ещё один интересный факт — уже тогда электромобили развивали скорость до 100 км/ч и на одном заряде проезжали более 150 км. Что же произошло с электромобилями и почему двигатели внутреннего сгорания вытеснили электродвигатель из применения в автомобилях?

Что бы ответить на этот вопрос давайте сначала рассмотрим преимущества и недостатки электродвигателя.

Преимущества:

• высокая эффективность (КПД около 90%)
• большой ресурс двигателя
• низкая стоимость обслуживания
• низкие эксплуатационные затраты
• компактность

Недостатки:

• тяжёлые, недолговечные и дорогие элементы питания
• короткий пробег на одном заряде
• высокая стоимость.

Удивительно, но спустя сто лет, ничего не изменилось — преимущества те же и недостатки те же. Почему на протяжении ХХ-го века, века научно-технического прогресса электромобиль не эволюционировал? Основная причина в том, что на заре автомобилестроения, когда стало ясно, что автомобиль стал основным средством передвижения, победил тот силовой агрегат, который было легче и быстрее совершенствовать. Основное преимущество двигателя внутреннего сгорания — это доступность топлива и возможность быстро пополнить его запасы. Вопрос стоял только в развитии прибыльной инфраструктуры. С электродвигателем всё сложнее.

• Во-первых, до сих пор не решена проблема быстрого пополнения запаса электроэнергии. Минимальная зарядка батарей до 80% отнимает минимум 40 минут и делать это надо каждые 200-300 км. и это не лучшим образом сказывается на долговечности и ёмкости элементов питания. а для полноценной зарядки в «щадящем» режиме необходимо не менее 8-ми часов.
• Во-вторых, сами элементы питания хоть и эволюционировали за сто лет, стали легче, компактнее и имеют большую ёмкость, но они изготовлены в основном из лития, запасы которого по сравнению с нефтью намного скромнее. А так как средний срок службы таких батарей не превышает 5 лет, то очевидно, что необходим прорыв в области элементов питания.
• В-третьих, мы хорошо помним закон сохранения энергии. Как известно основная масса электроэнергии производится посредством сжигания углеводородов и этот факт ставит под сомнение экологичность электромобилей. Так как с ростом числа электромобилей растёт и количество сжигаемых углеводородов для производства электроэнергии.
• В-четвёртых, инженеры всё ещё не решили каким образом сделать электромобиль автономным. Есть масса перспективных разработок топливных элементов с использованием водорода, однако все они упираются в дороговизну как производства топливных элементов, так и синтеза самого водорода.

Как оказалось — сто лет развития технологий всё ещё не решили основные проблемы электромобилей.

Как бы там ни было, а электрификация автомобильного транспорта неизбежна, уж очень привлекательна эффективность электромоторов. Современные электромобили для эксплуатации в условиях города и для поездок на небольшие расстояния вполне приемлемы. Низкие эксплуатационные затраты (стоимость одного километра меньше 1гривны), компактность, экологичность и динамика.