Neįtikėtinai besitraukiantis variklis

Šis straipsnis pasirodo 2007 m. kovo/balandžio mėn Technologijų apžvalga.

MIT Sloan automobilių laboratorijoje Danielis Cohnas (pavaizduotas aukščiau) stovi už variklio, kuriame yra bandymo prietaisai (geltona spalva) ir įpurškimo sistema, kuri purškia degalus tiesiai į variklio degimo kameras.

MIT plazmos mokslo ir sintezės centro vyresniajam mokslininkui Danieliui Cohnui šimtmečio senumo vidaus degimo variklis vis dar yra įkvėpimo šaltinis. Kai jis žingsniuoja pro mašinas ir bandymų įrangą MIT Sloano automobilių laboratorijoje, jo paprastai santūrus elgesys nublanksta. Tokio dydžio variklis, sako jis, nurodydamas įprastą 2,4 litro vidutinio dydžio benzininį variklį, būtų raketa su mūsų technologija.

Ši istorija buvo mūsų 2007 m. kovo mėnesio numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Paaiškindamas šią technologiją, jis demonstruoja turbokompresorių, kuris gali būti prisukamas prie 2,4 litro variklio; variklis, priduria jis, naudoja tiesioginį degalų įpurškimą, o ne portinį įpurškimą, kuris šiuo metu yra daugelyje automobilių. Ir turbokompresorius, ir tiesioginis įpurškimas yra jau egzistuojančios technologijos, ir nė viena neatrodo itin įspūdinga. Iš tiesų, naudojant juos atskirai, vidaus degimo variklio veikimas pagerėtų tik nežymiai. Tačiau juos derindami ir papildydami nauju būdu naudoti nedidelį etanolio kiekį, Cohnas ir jo kolegos sukūrė dizainą, kuris, jų manymu, galėtų trigubai padidinti bandomojo variklio galią – tai pažanga, leidžianti automobilių gamintojams pakeisti mažus variklius. sukurtas ekonomiškiems automobiliams su raumeningais varikliais, kurių galios daugiau nei pakanka visureigiams ar sportiniams automobiliams. Išgaunant geresnes mažesnių ir efektyvesnių variklių našumą, ši technologija gali padėti sukurti transporto priemones, kurių degalų sąnaudos prilygsta hibridinėms transporto priemonėms, kuriose naudojamas ir elektrinis, ir benzininis variklis. Ir šis degalų efektyvumas gali kainuoti tik dalį išlaidų.

Cohnas sako, kad jo kolegos – Plazmos mokslo ir sintezės centro pagrindinis mokslininkas Leslie Bromberg ir mechanikos inžinerijos profesorius bei Sloan Auto Lab direktorius Johnas Heywoodas – svarstė daugybę būdų, kaip padidinti vidaus degimo variklių efektyvumą. Ir tada, po daugybės diskusijų, vieną dieną tai mus ištiko, – prisimena Cohnas. Jis aiškina, kad raktas į MIT tyrėjų sistemą buvo įveikti problemą, vadinamą smūgiu, kuri labai apribojo pastangas padidinti variklio sukimo momentą ir galią.

Multimedija

• Peržiūrėkite naujo Danielio Cohno sukurto variklio dizaino demonstracinę versiją.

Dujiniuose varikliuose stūmoklis juda į cilindrą, suspaudžiant oro ir degalų mišinį, kuris vėliau užsidega kibirkštimi. Sprogimas vėl išstumia stūmoklį. Vienas iš būdų gauti daugiau galios iš variklio – suprojektuoti stūmoklį taip, kad su kiekvienu taktu judėtų toliau. Kuo toliau jis keliauja, tuo labiau suspaudžia oro ir kuro mišinį ir tuo daugiau mechaninės energijos pasiima iš sprogimo atsitraukdamas. Apskritai, didesnis suspaudimas užtikrins efektyvesnį variklį ir daugiau galios per taktą. Tačiau per daug padidinus slėgį degalai įkaista ir sprogsta nepriklausomai nuo kibirkšties, todėl užsidega netinkamai laiku. Tai yra smūgis ir gali sugadinti variklį.

Siekiant išvengti smūgio, variklio dizaineriai turi apriboti, kiek stūmoklis suspaudžia cilindre esančius degalus ir orą. Jie taip pat turi apriboti turbokompresoriaus naudojimą, kai išmetamųjų dujų turbina suspaudžia orą prieš jam patenkant į degimo kamerą, padidindama deguonies kiekį kameroje, kad per taktą būtų galima sudeginti daugiau degalų. Automobilio turbokompresoriaus įjungimas suteiks papildomo postūmio automobiliui įsibėgėjant ar kylant į kalnus. Tačiau per didelis turbokompresorius, kaip ir per didelis suspaudimas, veda prie smūgio.

Alternatyvus būdas išvengti detonacijos yra naudoti ne benziną, o kitus degalus; Nors benzinas į nedidelį tūrį supila didelį energijos kiekį, kiti degalai, tokie kaip etanolis, atsparesni smūgiams. Tačiau transporto priemonė, naudojanti etanolį, nuvažiuoja mažiau mylių už galoną nei naudojanti benziną, nes jos degalų energijos tankis yra mažesnis. Cohnas ir jo kolegos teigia atradę būdą, kaip panaudoti abu degalus, kurie išnaudotų kiekvieno privalumus ir išvengtų silpnybių.

MIT tyrėjai sutelkė dėmesį į pagrindinę etanolio savybę: kai jis išgaruoja, jis turi ryškų vėsinantį poveikį, panašiai kaip trinantis nuo odos išgaruojantį alkoholį. Padidėjęs turbokompresorius ir cilindro suspaudimas pakelia temperatūrą cilindre, todėl jie sukelia trankymą. Tačiau Cohnas ir jo kolegos išsiaiškino, kad jei etanolis į degimo kamerą patenka tinkamu momentu taikant palyginti naują tiesioginio įpurškimo technologiją, jis palaiko žemesnę temperatūrą ir užkerta kelią savaiminiam užsidegimui. Panašūs metodai, kai kurie iš jų naudojo vandenį cilindrui aušinti, buvo išbandyti ir anksčiau. Tačiau tiesioginio įpurškimo ir etanolio derinys, sako Cohnas, turėjo daug dramatiškesnių rezultatų.

Tyrėjai sukūrė sistemą, kurioje benzinas į degimo kamerą būtų įpurškiamas įprastomis priemonėmis. Etanolis būtų laikomas atskirame rezervuare arba skyriuje ir būtų įvedamas atskira tiesioginio įpurškimo sistema. Etanolį tektų papildyti tik kartą per kelis mėnesius, maždaug taip dažnai, kaip keičiama alyva. Transporto priemonė, kuri naudotų šį metodą, veiktų maždaug 25 procentais efektyviau nei transporto priemonė su įprastu varikliu.

Turbokompresorius ir tiesioginio įpurškimo sistema padidintų variklio kainą, taip pat sustiprintų jo sieneles, kad būtų užtikrintas aukštesnis turbokompresoriaus lygis. Tačiau papildomas įrangos sąnaudas iš dalies kompensuotų mažesnės mažesnio variklio gamybos išlaidos. Iš viso variklis su nauja technologija kainuotų apie 1000–1500 USD daugiau nei įprastas variklis. Hibridinės sistemos, kurios yra brangios, nes joms reikalingas ir vidaus degimo variklis, ir baterijomis maitinamas elektrinis variklis, prideda 3000–5000 USD prie mažos ir vidutinio dydžio transporto priemonės kainos ir dar daugiau prie didesnės transporto priemonės kainos.

Kai MIT grupė pirmą kartą iškėlė savo idėją, Brombergas sukūrė išsamų kompiuterinį modelį, kad įvertintų etanolio naudojimo poveikį, kad būtų galima padidinti turbokompresorių ir suspausti cilindrus. Modelis parodė, kad ši technika gali labai padidinti nedetonuojamo variklio sukimo momentą ir arklio galias. Vėlesni Ford bandymai parodė rezultatus, atitinkančius MIT kompiuterio modelio prognozes. O kadangi naujai sistemai reikėtų palyginti nedidelių esamų technologijų pakeitimų, ji gali būti parengta netrukus. Ethanol Boosting Systems, įmonė, kurią mokslininkai įkūrė Kembridže, MA, siekia komercializuoti šią technologiją. Cohnas teigia, kad naudojant agresyvią plėtros programą, dizainas gali būti gaminamas serijinėse transporto priemonėse jau 2011 m.

Nors Cohnas sveikina hibridų pranašumus ir sako, kad jo technologija taip pat galėtų būti panaudota jiems tobulinti, jis pažymi, kad hibridinės technologijos populiarumą vis dar riboja jos kaina. Jis siūlo greičiau pritaikyti pigesnes technologijas ir taip sparčiau sumažinti benzino sąnaudas. Pasak jo, daug naudingiau turėti variklį, kurį pirks daug žmonių.

paslėpti