Вътрешното горене оцелява чрез адаптиране.

  • Добави коментар
  • Facebook
  • Twitter
  • електронна поща
  • Споделяне
  • Reddit
  • Натъквам се неочаквано на
  • Tumblr
  • Джоб Поръчайте този брой ->
Двигателят с вътрешно горене е връщане назад. Това е задържане от ерата на парата. Детайлите му са усъвършенствани, материалите му ... От Норман Майерсън

Двигателят с вътрешно горене е обратен ход. Това е задържане от ерата на парата. Детайлите му са усъвършенствани, материалите му усъвършенствани и производителността му умножена, но основният механизъм - бутало, движещо се нагоре и надолу в отвора на цилиндъра - е изобретен преди фонографа или крушката.

Продуктът на ерата на евтина, изобилна енергия, двигателят с вътрешно горене също е явно разточителен. При четиритактов бензинов двигател - двигателят, който е най-вероятно във вашата кола, вашата моторна лодка, може би дори вашият генератор - буталото първо се задвижва надолу, всмуквайки въздух в цилиндъра. След това буталото прави ход нагоре, който компресира въздуха; след това искра запалва горивно-въздушната смес, която експлодира, тласкайки буталото надолу. Последният ход нагоре изтласква отработената смес. В този цикъл от четири хода на буталото днешният бензинов двигател обикновено преобразува 14 до 30 процента от енергията, съхранявана в горивото, в полезна работа. Останалото се губи като топлина и триене.

Инсталирането на този двигател в превозно средство смесва отпадъците. Аксесоари като водни помпи и климатични компресори черпят енергия, без да допринасят за движение напред. Съпротивлението при търкаляне на гумите губи гориво, както и триенето в лагерите и предавките. Аеродинамичното съпротивление принуждава двигателя да работи усилено, само за да поддържа стабилна скорост на магистралата. Всичко казано, колата, която шофирате, изразходва около 20 процента от енергията на горивото, за да работи при шофиране по пътя. Ясно е, че тази петролна машина за парникови газове е просрочена за прекъсване. Не е чудно, че всеки нов електрически автомобил, пробив в химията на акумулаторите или обещание за масово произвеждани превозни средства с горивни клетки звучи като съобщение за смърт за двигателя с вътрешно горене.

Електрическите коли изглежда са готови да поставят последните гвоздеи в ковчега. С малко подвижни части, които генерират триене, електрическите двигатели са значително по-ефективни - превръщайки цели 96 процента от консумираната от тях енергия в полезна работа. Те се отказват от много малко отпадъчна топлина и, ако се захранват чрез алтернативна енергия, могат да произвеждат енергия без емисии. Освен това автомобил, задвижван с електрически мотор, има ясни дизайнерски предимства. Неговата почти плоска крива на въртящ момент (килограми-фута, графицирани спрямо скоростта на въртене на двигателя) означава, че не се нуждае от сложна трансмисия, като същевременно намалява разходите и повишава ефективността. Двигателите с вътрешно горене обикновено трябва да се въртят с няколко хиляди оборота в минута (обороти в минута), за да получат върхов въртящ момент, но електрическите двигатели избухват до максимален въртящ момент в момента, в който се завърти валът. Това е, което дава на електрическите автомобили и хибридите толкова задоволително щракване далеч от спирката.

Поради всички тези причини делото срещу буталния двигател е ясно. Дните му изглеждат преброени. Но реалността е, че вътрешното горене няма да отиде никъде скоро. Не казвайте на Илон Мъск, но топлинният двигател, за да използва удобния псевдоним, вероятно ще управлява пътищата поне до 2050 г.

умре

Устойчивостта на двигателя с вътрешно горене не може да бъде обвинявана само за инерцията на пазара или силата на Big Oil. Издържа - и доминира - защото е толкова приспособим. Малки версии с тример и верижни триони. Огромни, високоефективни модели задвижват булдозери и товарни кораби. В автомобила този двигател може да бъде конфигуриран като леко маниерен газов сипър или високооборотно състезателно устройство.

Той е изключително подходящ за транспортиране, тъй като използва гориво, което е изключително преносимо и енергийно гъсто. „Течните въглеводороди са течно злато“, казва Джон Б. Хейууд, машинен инженер, професор по професия Sun Jae в M.I.T. Бензиновият двигател зарежда за минути, след което може да измине 400 до 500 мили. И горивата също са приспособими: През последния век, когато пътищата се подобряват и автомобилите започват да се движат по-бързо, бензинът е преработен, за да помогне на двигателите да извличат енергията му.

Накратко, дългият, богат живот на бензиновия двигател е резултатът от това, което палеоантропологът Рик Потс нарича избор на променливост: Идеята, че в бързо променящата се среда само гъвкавите оцеляват. Потс, експерт по човешки произход от Смитсоновия институт, смята, че ранните хоминиди са надделяли, защото са били гъвкави. Климатът, с който се сблъскват нашите предци по време на ранния плейстоцен, варира драстично, с чести промени в температурата, водоснабдяването, източниците на храна, растителността и конкуренцията. Те преживяха това време на смут, защото бяха генералисти, казва Потс. С дълги ръце и дълги крака те можеха да се катерят по дърветата в гората или да вървят на километри през савана. С големи мозъци те биха могли да разберат как да се адаптират към променящите се обстоятелства и да измислят социални системи и технологии, които да им помогнат да се справят. Те не бяха по-бързи, по-силни или по-ефективни от другите същества - бяха по-приспособими.

Буталният двигател изглежда като друг пример за оцеляване чрез адаптивност. Изграждането му е евтино, отговаря на изискванията на различните горива и физическо оформление и напредва в крак с развитието на металургията и контрола на замърсяването. Непрекъснатите усъвършенствания означават, че днешният двигател с вътрешно горене отделя 99 процента по-малко замърсяване от своите родоначалници през 60-те години. В региони с лошо качество на въздуха, напомнят ни производителите, днешните двигатели всъщност изтласкват по-чист въздух през изпускателната тръба, отколкото поглъщат. Днес, изправени пред задачата да намалят емисиите на въглероден диоксид и да ограничат използването на енергия, инженерите, експертите в индустрията и инвеститорите, които познават двигателите най-добре, далеч не се отказват от вътрешното горене. Всъщност те увеличават инвестициите си. Тази стара технология все още има много мили.

Малките машини днес са се развили толкова, колкото и двигателят с вътрешно горене. Най-ранните версии бяха примитивни инструменти, бавни и ненадеждни. Подобренията дойдоха с напредъка в металургията и по-доброто разбиране на процеса на горене. Стартери, узрели от ръчни манивели до електрически устройства с бутон; електрическите свещи гарантират по-последователна и плавна работа. Изобретяването на течно охлаждане позволи на дизайнерите да преминат от сурови едноцилиндрови конструкции към шест- и осемцилиндровите двигатели, доминиращи в автомобилната индустрия в средата на 20-ти век. Съвсем наскоро компютърно ориентирани иновации като прецизен контрол на разпределението на горивото в двигателя и подобрено време на отваряне и затваряне на клапаните направиха възможно комбинирането на висока мощност с плавна, равномерна производителност при ниски скорости.

Новите изисквания към двигателя с вътрешно горене са фокусирани върху емисиите, а професорът Джон М. Децико от Университета в Мичиган, Институт по енергетика, смята, че бензиновият двигател също ще отговори на тях. „Има богат набор от възможности за подобряване на ефективността, които винаги ще подкопаят алтернативите, доколкото окото вижда“, казва DeCicco. „Хоризонтът на ефективност се простира много далеч в бъдещето.“ За да отговорят на това ново предизвикателство, производителите прецизират всичко - от дизайна на горивната камера до параметрите на трансмисията до начина, по който горивото и въздухът се доставят в сърцевината на двигателя.

Вече разпространени на пазара са турбокомпресорите, деактивирането на цилиндрите, директното впръскване на гориво и непрекъснато променливите трансмисии. Намаляването на съотношението повърхност/обем в цилиндъра чрез използване на по-малки отвори и по-дълги ходове на коляновия вал вече е увеличило мили на галон, казва Майк Андерсън, глобалният главен инженер за бензинови четирицилиндрови двигатели в General Motors. Също така подобряването на дизайна на горивната камера с компютърно моделиране.

Андерсън също обяснява, че начинът на работа на двигателя е от решаващо значение, тъй като всеки двигател с вътрешно горене има своето сладко място за ефективност. „Искаме да направим този остров на ефективност възможно най-голям“, казва той. Простото овладяване на триенето също може да осигури голяма печалба: намаляването му само с 8 процента подобрява пробега на газ с 1 процента. Последната версия на 2-литровия турбодвигател на GM е намалила триенето с 16 процента в сравнение с предшественика си.

Идват и промени в доставката на гориво. Томас Апостолос, президент на Ricardo, Inc., щат на глобалната инженерна консултантска компания с почти 100-годишен опит в разработката на двигатели, предвижда включването на директно впръскване на гориво с пулверизирано управление и постно напластено зареждане, при което съотношението гориво във въздуха намалява, но горивото се концентрира точно там, където е най-необходимо.

Бензиновият двигател може също да е на път да се присъедини към целуващия си братовчед, дизеловия двигател. В средите за научноизследователска и развойна дейност този брак е многогодишна тема за дискусии. Дизелите се възползват от това, че не се регулират: Те контролират оборотите на двигателя, като променят подаването на гориво, вместо да ограничават входа на въздух с механична дроселна клапа, която генерира съпротивление и триене. Тъй като дизелите инициират горенето с вътрешна топлина, а не с искра, те обикновено имат много високи коефициенти на компресия - много „изстискване“, приложено върху въздуха вътре в цилиндъра. Тези високи налягания извличат повече работа от химическата енергия, съхранявана в горивото. Докато инженерите експериментират с понижаване на степента на компресия в дизеловите двигатели за контрол на емисиите и повишаването им в бензиновите двигатели, двете технологии вече се приближават една към друга, казва Бил Вьобенберг, старши инженер, отговарящ за горивата и техническите и регулаторни въпроси в Mercedes-Benz САЩ.

Един обещаващ пример: двигателят с хомогенно запалване със сгъстяване (HCCI). В този хибрид, постигнат чрез подобрения в компютърното моделиране и управлението на двигателя, вътрешната топлина на двигателя запалва равномерно разпределена смес от въздух и гориво вътре в цилиндъра. Резултатът е чист двигател, който според изследователите на General Motors може да бъде 80 процента по-ефективен от дизеловия двигател за около 50 процента от цената.

Двигателите на HCCI са имали проблеми с поддържането на безпроблемна работа, така че текущият план е да се изгради един двигател с два режима на работа. Конвенционалното изгаряне ще се използва за силно ускорение, а режим HCCI ще се използва за леки товари, като например магистрала. Според Woebkenberg Mercedes вече е имал успех с този модел в европейските приложения.

Нарастват още по-радикални идеи. Новите начини за подреждане на механичното разположение на двигателите с вътрешно горене могат да обещаят значително подобрена ефективност. EcoMotors International в Мичиган например разработва двигател с противоположно бутало и противоположно цилиндър, който може да произведе една конска сила на килограм тегло на двигателя. Други компании разработват двигатели с двойно компресиране и двойно разширение, които разпределят работата върху допълнителни цилиндри, разделяйки циклите на компресия и мощност.

Бензиновият двигател е бързо движеща се цел. Всъщност иронията може да е, че се движи по-бързо от някои от технологиите, които заплашват да го заменят. Въглеродните емисии на автомобилите в САЩ са на път да намалят с 2,1 процента годишно, докато емисиите от електроцентралите падат с прогнозна скорост под 1 процент годишно, казва DeCicco. Именно тези централи, две трети от които използват изкопаеми горива, задвижват електрическите автомобили. Всъщност Съюзът на загрижените учени заяви в доклад, че автомобилите с акумулаторни батерии нямат явно парниково предимство пред най-добрите бензинови или хибридни модели в щатите на САЩ, които разчитат силно на генерираната от въглища електроенергия.

Дори средният бензинов двигател скоро може да се доближи до своя електрически съперник по отношение на грамовете въглероден диоксид, отделен на миля. „Без нищо назаем от„ Стар Трек “, ние разработихме програма Ford Focus с изпускане на въглероден диоксид от 97 грама на километър“, казва Апостолос за Рикардо. „В рамките на 2040 г. ще получим това до 30 грама, което прави двигателите с вътрешно горене конкурентни на електрическите превозни средства.“ И тогава, разбира се, има разходи: Батериите трябва да станат 10 пъти по-евтини и да подобрят енергийната си плътност със 100 пъти, за да съответстват на бензина. Вграденият хибрид Chevrolet Volt например носи 16 киловатчаса батерия, което представлява около 8 000 долара от цената на автомобила. Той съхранява енергийния еквивалент на един галон бензин. „Мащабируемият бизнес случай е толкова далеч“, казва DeCicco.

Което не означава, че програмите за развитие на електричество и водород не си струват - те очевидно са. Но в борбата с бензиновия двигател те ще трябва да се справят с нещо повече от изключителен изпълнител: ще трябва да победят истински инженерен хамелеон.

Норман Майерсън е редактор в раздела Автомобили на Ню Йорк Таймс. Транспортният му флот включва хибрид Prius (седмият Prius на семейството), Camaro SS350 от 1967 г., добре използван комби на Volvo и два мотоциклета. Бивш състезател по драг и биологичен фермер, той винаги е очарован от научаването на нещата.