Neticami sarūkošais dzinējs

Šis raksts ir publicēts 2007. gada marta/aprīļa numurā Tehnoloģiju apskats.

MIT Sloan Automotive Laboratory Daniel Cohn (attēlā iepriekš) stāv aiz dzinēja, kas aprīkots ar testa instrumentiem (dzeltenā krāsā) un iesmidzināšanas sistēmu, kas izsmidzina degvielu tieši dzinēja sadegšanas kamerās.

Danielam Konam, MIT Plazmas zinātnes un kodolsintēzes centra vecākajam pētniekam, gadsimtu vecais iekšdedzes dzinējs joprojām ir iedvesmas avots. Kad viņš iet garām MIT Sloanas automobiļu laboratorijas iekārtām un testēšanas iekārtām, viņa parasti atturīgā izturēšanās pazūd. Šāda izmēra dzinējs, viņš saka, norādot uz parasta izskata 2,4 litru vidēja izmēra benzīna dzinēju, būtu raķete ar mūsu tehnoloģiju.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2007. gada marta numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Izskaidrojot šo tehnoloģiju, viņš demonstrē turbokompresoru, ko var pieskrūvēt pie 2,4 litru dzinēja; Viņš piebilst, ka dzinējs izmanto tiešo degvielas iesmidzināšanu, nevis porta iesmidzināšanu, kas pašlaik ir atrodama lielākajā daļā automašīnu. Gan turbokompresors, gan tiešā iesmidzināšana ir jau esošas tehnoloģijas, un neviena no tām neizskatās īpaši iespaidīga. Patiešām, ja tos izmanto atsevišķi, tie radītu tikai nelielus uzlabojumus iekšdedzes dzinēja darbībā. Taču, apvienojot tos un papildinot tos ar jaunu veidu, kā izmantot nelielu daudzumu etanola, Kons un viņa kolēģi ir izveidojuši dizainu, kas, viņuprāt, varētu trīskāršot testa dzinēja jaudu, kas ļautu autoražotājiem pārveidot mazus dzinējus. paredzēts ekonomiskajām automašīnām ar muskuļotiem dzinējiem ar vairāk nekā pietiekami daudz jaudas SUV vai sporta automašīnām. Iegūstot labāku veiktspēju no mazākiem, efektīvākiem dzinējiem, šī tehnoloģija var novest pie transportlīdzekļiem, kuru degvielas ekonomija ir līdzīga hibrīdo dzinēju ekonomijai, kas izmanto gan elektromotoru, gan benzīna dzinēju. Un šī degvielas efektivitāte varētu būt par nelielu daļu no izmaksām.

Cohn saka, ka viņa kolēģi - Plazmas zinātnes un kodolsintēzes centra galvenais pētnieks Leslijs Brombergs un mašīnbūves profesors un Sloan Auto Lab direktors Džons Heivuds - apsvēra daudzus veidus, kā padarīt iekšdedzes dzinējus efektīvākus. Un tad pēc daudzām diskusijām kādu dienu tas mūs vienkārši piemeklēja, atceras Kons. Viņš skaidro, ka MIT pētnieku sistēmas atslēga bija problēmas, ko sauc par sitienu, pārvarēšana, kas ir ļoti ierobežojusi centienus palielināt dzinēja griezes momentu un jaudu.

Multivide

• Skatiet Daniela Kona jaunā dzinēja dizaina demonstrāciju.

Gāzes dzinējos virzulis pārvietojas cilindrā, saspiežot gaisa un degvielas maisījumu, ko pēc tam aizdedzina dzirkstele. Sprādziens virzuli atkal izspiež. Viens no veidiem, kā iegūt vairāk jaudas no dzinēja, ir konstruēt virzuli tā, lai tas virzītos tālāk ar katru gājienu. Jo tālāk tas virzās, jo vairāk tas saspiež gaisa un degvielas maisījumu un jo vairāk mehāniskās enerģijas tas iegūst no sprādziena, kad tas atkāpjas. Kopumā lielāka kompresija nodrošinās efektīvāku dzinēju un lielāku jaudu vienā gājienā. Taču pārāk liela spiediena palielināšana izraisa degvielas uzsilšanu un eksploziju neatkarīgi no dzirksteles, izraisot aizdedzi, kas nav paredzēta laikā. Tas ir sitiens, un tas var sabojāt dzinēju.

Lai izvairītos no sitieniem, dzinēja dizaineriem ir jāierobežo pakāpe, kādā virzulis saspiež degvielu un gaisu cilindrā. Tām arī jāierobežo turbokompresora izmantošana, kad ar izplūdes gāzēm darbināma turbīna saspiež gaisu, pirms tas nonāk sadegšanas kamerā, palielinot skābekļa daudzumu kamerā, lai vienā gājienā varētu sadedzināt vairāk degvielas. Automašīnas turbokompresora ieslēgšana sniegs papildu impulsu, kad automašīna paātrinās vai kāpj kalnos. Bet pārāk liela turbokompresora, piemēram, pārāk liela kompresija, izraisa sitienu.

Alternatīvs veids, kā novērst detonāciju, ir izmantot citu degvielu, nevis benzīnu; lai gan benzīns mazā tilpumā iesaiņo lielu enerģijas daudzumu, citas degvielas, piemēram, etanols, iztur daudz labāk. Taču transportlīdzeklis, kas izmanto etanolu, nobrauc mazāk jūdžu uz vienu galonu nekā tas, kas izmanto benzīnu, jo tā degvielai ir mazāks enerģijas blīvums. Kons un viņa kolēģi saka, ka ir atraduši veidu, kā izmantot abus degvielu, kas izmanto katra stiprās puses, vienlaikus izvairoties no trūkumiem.

MIT pētnieki koncentrējās uz galveno etanola īpašību: kad tas iztvaiko, tam ir izteikts dzesēšanas efekts, līdzīgi kā alkohola berzēšanai, kas iztvaiko no ādas. Paaugstināta turbokompresija un cilindra saspiešana paaugstina temperatūru cilindrā, tāpēc tie izraisa sitienu. Bet Cohn un viņa kolēģi atklāja, ka, ja etanols tiek ievadīts sadegšanas kamerā tieši īstajā brīdī, izmantojot salīdzinoši jauno tiešās iesmidzināšanas tehnoloģiju, tas uztur zemu temperatūru, novēršot spontānu aizdegšanos. Līdzīgas pieejas, no kurām dažas izmantoja ūdeni, lai atdzesētu cilindru, ir izmēģinātas iepriekš. Taču Cohn saka, ka tiešās iesmidzināšanas un etanola kombinācijai bija daudz dramatiskāki rezultāti.

Pētnieki izstrādāja sistēmu, kurā benzīns tiktu ievadīts sadegšanas kamerā ar parastajiem līdzekļiem. Etanols tiktu uzglabāts savā tvertnē vai nodalījumā un tiktu ievadīts ar atsevišķu tiešās iesmidzināšanas sistēmu. Etanols būtu jāpapildina tikai reizi dažos mēnešos, aptuveni tikpat bieži, cik tiek mainīta eļļa. Transportlīdzeklis, kas izmantotu šo pieeju, darbotos par aptuveni 25 procentiem efektīvāk nekā transportlīdzeklis ar parasto dzinēju.

Turbokompresors un tiešās iesmidzināšanas sistēma palielinātu dzinēja izmaksas, kā arī tā sienu nostiprināšana, lai nodrošinātu augstāku turbokompresora līmeni. Tomēr papildu aprīkojuma izmaksas daļēji kompensētu mazāka dzinēja ražošanas izmaksu samazināšanās. Kopumā ar jauno tehnoloģiju aprīkots dzinējs maksātu par aptuveni 1000 līdz 1500 USD vairāk nekā parasts dzinējs. Hibrīdsistēmas, kas ir dārgas, jo tām ir nepieciešams gan iekšdedzes dzinējs, gan elektromotors, ko darbina ar akumulatoriem, pievieno 3000–5000 USD maza un vidēja izmēra transportlīdzekļa izmaksām un vēl vairāk lielāka transportlīdzekļa izmaksām.

Kad MIT grupa pirmo reizi izstrādāja savu ideju, Brombergs izveidoja detalizētu datora modeli, lai novērtētu etanola izmantošanas ietekmi, lai nodrošinātu lielāku turbokompresoru un cilindru saspiešanu. Modelis parādīja, ka šī tehnika var ievērojami palielināt beztrieciena dzinēja griezes momentu un zirgspēkus. Turpmākie Ford testi ir parādījuši rezultātus, kas atbilst MIT datora modeļa prognozēm. Un tā kā jaunajai sistēmai būtu nepieciešamas salīdzinoši nelielas esošo tehnoloģiju modifikācijas, tā varētu būt gatava drīz. Ethanol Boosting Systems, uzņēmums, ko pētnieki ir izveidojuši Kembridžā, MA, strādā pie šīs tehnoloģijas komercializācijas. Cohn saka, ka ar agresīvu attīstības programmu dizains varētu būt sērijveida transportlīdzekļos jau 2011. gadā.

Lai gan Cohn atzinīgi vērtē hibrīdu priekšrocības un saka, ka viņa tehnoloģiju varētu izmantot arī to uzlabošanai, viņš atzīmē, ka hibrīda tehnoloģiju popularitāti joprojām ierobežo tās izmaksas. Lētākas tehnoloģijas tiks pieņemtas ātrāk, viņš ierosina, un tādējādi ātrāk samazināsies benzīna patēriņš. Viņš saka, ka ir daudz noderīgāk, ja ir dzinējs, ko daudzi cilvēki iegādāsies.

paslēpties