Меню Рубрики

Силовая установка из нескольких двигателей

Назначение силовой установки

Силовая установка (СУ) любого ТС предназначена главным образом для получения механической энергии, обеспечивающей преодоление внешних сил сопротивления движению машины. Силовая установка состоит из двигателя и обслуживающих его агрегатов и систем.

В традиционном двигателе (имеется в виду ДВС) тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию вращения его основного вала. В наиболее перспективном экологически чистом двигателе, в настоящее время работающем на топливных элементах, химическая реакция соединения кислорода и водорода, обратная электролизу, сопровождается выработкой электрической энергии, которая потребляется электродвига-телями, приводящими в движение ТС.

Агрегаты и системы, обслуживающие традиционный двигатель, обеспечивают его питание топливом и воздухом, охлаждение, смазку, подогрев и пуск, а также выпуск отработавших газов.

К двигателю — главному агрегату СУ — предъявляются следующие основные требования:

  • экономичность (минимальный расход топлива, смазочного масла и других эксплуатационных жидкостей);
  • хорошие экологические показатели (малая токсичность отработавших газов, низкий уровень вибрации и шума);
  • высокий КПД;
  • высокая удельная мощность (отношение максимальной мощности двигателя к его массе или рабочему объему);
  • надежность и значительный ресурс в заданных условиях эксплуатации;
  • технологичность в производстве и, следовательно, невысокая стоимость;
  • простота и низкая стоимость технического обслуживания и ремонта.

В некоторых случаях могут предъявляться и другие, дополнительные требования (например, возможность использования двигателя в качестве тормоза-замедлителя, многотопливность и т.д.).

Эксплуатационно-технические характеристики и качество агрегатов и систем, обслуживающих двигатель, во многом определяют его надежность, экономичность и эффективность при различных режимах и условиях эксплуатации. Эти агрегаты и системы в любых климатических и дорожных условиях должны обеспечивать:

  • получение от двигателя максимально возможной мощности;
  • его экономичность;
  • приемистость (быстрое увеличение частоты вращения основного вала под нагрузкой);
  • надежную и эффективную очистку топлива и воздуха, поступающих в двигатель;
  • поддержание оптимального теплового режима работы;
  • надежную и эффективную смазку всех трущихся деталей двигателя;
  • быстрый подогрев и пуск двигателя;
  • выпуск отработавших газов с минимальными потерями мощности и уменьшение их токсичности;
  • удобство эксплуатации и технического обслуживания.

источник

ДИЗЕЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ИЛИ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Дизельная силовая установка состоит из одного или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов. В зависимости от способа осуществления рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания разделяют на четырехтактные и двухтактные. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува. Существует другой принцип разделения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) — по частоте вращения. Малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 оборотов в минуту непосредственно приводят в движение судовой движитель. Среднеоборотными называют ДВС с частотой вращения 300-600 оборотов в минуту. Они приводят в движение судовой движитель через редуктор.

Кроме главного двигателя предусмотрены еще два вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы. Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов. Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю. При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и очищается в сепараторах и фильтрах от различных примесей. Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла. Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла. Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды, охладителей воды и масла.

дизельная силовая установка

Принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания показан на рисунке 5. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два поворота коленчатого вала, т. е. за четыре хода поршня. Механическая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для подготовки. При первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизельной силовой установке без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизельной силовой установке с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление. Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива. При достижении необходимого давления топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр.

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем. Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу. Во время четвертого такта открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят наружу. Четырехтактные судовые дизельные установки изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Читайте также:  Двигатель камаз установка на катер

Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, который требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров, а также частоты вращения. Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром. Во всех выпускаемых четырехтактных судовых дизельных силовых установках предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок , либо в качестве главного двигателя в многовальных силовых установках (по одному ДВС на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизельных силовых установок в качестве главного двигателя имеет следующие преимущества:

— повышение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
— уменьшение габаритов и собственной массы деталей (клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);
— снижение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).
Современные дизельные силовые установки отличаются высокой экономичностью и надежностью, они не требуют капитального ремонта до 50000 часов.

ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРОХОДЫ

Первым дизель-электроходом был, как уже упоминалось выше, русский теплоход «Вандал», но дизель-электроходы не получили большого распространения. Потери при двойном превращении энергии (механической в электрическую, а затем электрической вновь в механическую) довольно велики и составляют 15 процентов. Но вместе с тем для некоторых типов судов электродвигатель является единственно приемлемым. Это суда с частой сменой режимов нагрузки гребной установки , корабли, требующие повышенных маневровых качеств, длительное время работающие с пониженной мощностью. Такими судами являются ледоколы, буксиры, паромы, китобойные суда , драгеры и некоторые другие.

ГАЗОТУРБОХОДЫ

Характерные черты газотурбинной установки — небольшой вес и малые габариты, простота обслуживания и безотказность в работе. Газотурбинные установки состоят из генератора газа и турбины.

Применить газовые турбины на судах впервые предложил русский офицер Назаров. В 1892 году Кузьминский создал газотурбинную установку. В СССР в 1961 году был построен газотурбоход «Павлин Виноградов». Его силовая установка состояла из четырех свободно-поршневых генераторов газа, вырабатывающих рабочий газ для турбины мощностью 3800 л. с., водоизмещение судна составляло 9080 тонн, скорость хода — 15,6 узла.

В современных газовых турбинах максимальный коэффициент полезного действия составляет около 29 процентов.

источник

Современные двигатели «Формулы-1» – лучшие в истории. Но ими все равно недовольны

Критики ошибаются.

Технический прогресс в гонках полностью уничтожил романтические мечты о «гаражных» командах и создании революционных болидов гениальными энтузиастами без кучи магистерских степеней в резюме. Теперь даже бедные конюшни обладают бюджетом от 100 миллионов долларов и открывают отделы инженерных разработок на несколько десятков человек.

С двигателями почти та же история: моторные департаменты «Феррари», «Рено» и «Мерседеса» превратились в огромные технологичные монстры — но, как оказалось, не зря. Немецкие производители уже продвинули индустрию вперед, недавно объявив о скором достижении мощности в 1000 л.с. и установке нового рекорда тепловой эффективности на уровне более 50% (у обычных легковых автомобилей — 25-30%). Пока что революционную производительность выжали на стендовых тестах, однако инженеры «Мерседеса» обещают перенести разработки в боевые условия — и тогда болиды «Формулы-1» официально станут самыми крутыми в истории человечества.

Как работает чудо-мотор

Актуальная силовая установка состоит из нескольких составляющих частей:

Турбину неспроста вернули в «Формулу-1» после двадцатилетнего запрета: в 2014 году вместе с новым регламентом силовых установок начал действовать и лимит на расход топлива в 100 кг на гонку. Он означал снижение количества сжигаемого горючего в цилиндре двигателя и, соответственно, уменьшение мощности и скорости. Чтобы не допустить замедления болидов, командам снова позволили компенсировать снижение используемого объема топлива повышением плотности смеси с помощью турбонаддува.

Блок MGU-K или рекуператор кинетической энергии разрешили к использованию еще в 2009 году (тогда он назывался KERS). Он подключается к тормозной системе болида, активируется при нажатии соответствующей педали и переводит энергию вращения колес в электрическую, заряжая ею батареи. Затем пилот использует заряд для разгона — вот только вплоть до 2014 года технология не отличалась особой эффективностью. На высоких скоростях использование небольшой «подпитки» от KERS не имело особого значения, пока большая часть тяги создавалась именно двигателем внутреннего сгорания, еще не ограниченного серьезными топливными лимитами. Регламент как раз и пересмотрели к 2014 году специально для повышения роли гибридных систем в силовых установках.

Читайте также:  Установка вазовского двигателя на уаз

Тогда же ввели использование еще одного рекуперирующего блока — MGU-H. Он работает уже не с кинетической энергией, а с потоком выхлопных газов, чье тепло и преображает в электричество. Эту систему можно назвать ключевой для современных болидов, ведь двигатели внутреннего сгорания практически достигли потолка развития. Получить ключевое преимущество благодаря исследованиям бензиновых агрегатов стало практически невозможно, а грамотное использование гибридной составляющей дает 20-30 дополнительных км/ч на прямой и позволяет экономить топливо при разгоне на низких передачах. Внимательное изучение динамики потери скорости и позиций после отказа MGU-H во время Гран-при убеждает в огромном значении блока для работы современного болида.

В то же время на рекуператор тепловой энергии выпадает большая постоянная нагрузка — и успех силовой установки напрямую зависит от разработки эффективного охлаждения. Именно со сложной конструкцией и связаны почти все проблемы мотористов современной «Формулы-1». «Хонда» сперва два сезона мучилась с перегревом из-за неправильного расположения рекуператора относительно двигателя внутреннего сгорания, а теперь не может нащупать оптимальную схему распределения полученной энергии по фазам разгона на прямых. «Рено» в свою очередь перестаралась в попытках догнать «Мерседес» по скорости и запорола надежность блока: в результате в последних трех Гран-при машины с французским двигателем сошли семь раз.

Гибридам принадлежит рекорд скорости в «Формуле-1»

«Рено» уже не в первый раз сталкивается с капризами турбированных агрегатов: в 80-х их болиды часто лидировали на половине дистанции и затем сходили из-за отказа моторов. Французские машины быстро заработали славу «желтых чайников» за неукоснительное следование высказыванию старика Энцо Феррари об «аэродинамике, которой занимаются лишь те, кто не умеет строить двигатели» – но, справедливости ради, такой была вся первая турбоэра. Мощность установок стартовала с 500 л.с. и быстро добралась до умопомрачительных квалификационных спецификаций в 1300 л.с. (самым жутким был четырехцилиндровый агрегат «БМВ» 1986 года, развивающий мощность 1430 л.с.). Как раз тому времени принадлежит неофициальный рекорд скорости «Формулы-1» авторства Жиля Вильнева, когда канадец на болиде «Феррари» без антикрыльев выжал 420 км/ч на взлетно-посадочной прямой аэропорта и победил истребитель «Старфайтер». В Гран-при же никто не разгонялся быстрее 350 км/ч.

Все закончилось в 1988 году: конструкторы уделяли больше внимания мощности, чем безопасности, и потому ФИА запретила использование турбонаддува, стараясь обуздать скорость болидов. Однако у современных гибридов нет проблем с защитой гонщика от возможных травм, и они побили официальный рекорд скорости уже в прошлом году силами «Уильямса» и Валттери Боттаса, установив результат в 372,5 км/ч на Гран-при Мексики. При этом двигатели еще не реализовали свой потенциал, а значит, самая быстрая эпоха «Формулы-1» еще впереди.

Гибриды обходятся дешевле старых «атмосферников»

Любая ностальгия по старым десятицилиндровым моторам с их дешевизной и простотой неизбежно сталкивается с суровой реальностью. Например, ее с лихвой можно отыскать в откровениях четырехкратного чемпиона мира Алена Проста, владевшего конюшней «Формулы-1» с 1997 по 2001 год.

«Я знал, как управлять командой. Но у меня был бюджет в 40 млн евро, 30 из которых уходили в «Пежо» за двигатели, а в 2001 году наступил кризис. Из-за этого я не мог пригласить в команду специалистов, с которыми хотел работать — они требовали в три-четыре раза больше, чем мы были способны заплатить. В то же время мы не получали абсолютно никакой поддержки от «Пежо» – хотя за год использовали 40 моторов».

Сорок далеко не лучших (а значит, и не самых дорогих) французских двигателей прошло через конюшню-аутсайдер всего за сезон. Страшно даже представить, во сколько обходились агрегаты «Мерседес» или «БМВ» тех лет.

Однако при таком уровне затрат «Прост» за весь период своего существования трижды побывал на подиуме и 16 раз набрал очки, так что команду нельзя обвинить в бездарном разбазаривании денег. Нехитрые подсчеты раскрывают космический размер относительных затрат на двигатели в виде 75 процентов бюджета. На разработку болида и зарплату пилотов с прочим персоналом оставалось всего 10 млн евро — в то время как один мотор хоть и обходился «всего» в 750 000, но серьезно проигрывал конкурентам и не окупал ни единого потраченного цента.

Читайте также:  Установка сцепления на двигатель от мотоблока

Для сравнения, комплект современных силовых установок для двух болидов на весь сезон, по словам президента ФИА Жана Тодта, стоит 18 млн евро. То есть примерно по 2,25 млн за штуку — ведь по регламенту в 2017 году можно было использовать четыре двигателя за год без штрафов (и, понятное дело, дополнительных расходов). Да, в пересчете на один экземпляр современные агрегаты выходят втрое дороже, но и в пять раз эффективнее — а эффективность затрат всегда была важна для «Формулы-1».

В то же время самый маленький бюджет в 2017 году по данным издания Autosport находился на уровне 110 млн евро — то есть теперь главные бедняки серии тратят на двигатели лишь 16,3 процента бюджета (а «Прост» тратил бы 45 процентов). То есть у команд объективно появилось больше средств на разработку болидов и приглашение талантливых гонщиков. Обвинения в дороговизне современных двигателей выглядят просто смешно и лицемерно — особенно по сравнению со «старыми добрыми временами».

Почему новыми технологиями все недовольны?

Как ни странно, современные гибридные двигатели с первого же сезона попали в тайфун критики. Среди негодующих оказались и фанаты, и команды, и гонщики, и производители — каждый напирал на что-то свое. Публика и пилоты громили новый звук, сравнивая свист работающей турбины с неисправным пылесосом, команды ругались на цены гибридных двигателий, быстро окрестив их самой дорогой техникой в истории «Формулы-1», а производители жаловались на убыточность разработок и трудный перенос технологий в серийные модели.

Но на самом деле всех раздражают не совсем двигатели, а доминирование «Мерседеса», основанное на преимуществе в силовых установках. Немцы произвели лучшие агрегаты еще в 2014 году и заслуженно побеждали четыре сезона подряд — из-за сложной конструкции моторов (и MGU-H в том числе) у конкурентов никак не получается ликвидировать отставание от лидера. Потенциальные новички видят ситуацию в гонках и не хотят ввязываться в «Формулу-1», ведь риск повторить неудачный путь «Хонды» слишком велик. К тому же, застывший статус-кво не раз приводил к унылым и предсказуемым заездам по «моторным» трассам, приводя в бешенство болельщиков.

Недовольство сложившейся ситуацией и привело к ностальгии по «старым добрым временам» и желанию отменить гибридную составляющую современных двигателей — блоки MGU-H всего лишь стали раздражающим символом не самой зрелищной эры.

От гибридов никто не откажется

Будущее не остановить — и оно уже совсем рядом. По данным исследований журнала Applied Energy, затраты на приобретение и обслуживание электрокаров в Японии, Великобритании и некоторых регионах США оказались примерно на 10 процентов ниже использования традиционных машин с двигателями внутреннего сгорания — причем в основу для расчетов легла статистика 2015 года. Гибриды же обходятся еще в среднем на 2-3 процента дешевле, причем покупатели этих моделей не получают субсидий по правительственным программам. По мнению журнала, спрос на электромобили уже превышает предложение, а к 2019 году их продажи оставят позади рынок дизельных машин. По прогнозам автопроизводителей, в первой половине 2020-х годов электрокары станут выгоднее бензиновых машин без субсидий — а до тех пор самыми эффективными для кошелька авто останутся гибриды.

Тем временем, некоторые страны уже постепенно задумываются о полном отказе от традиционных двигателей внутреннего сгорания. Открыл новую эпоху французский «антинефтяной» законопроект, запретивший добычу нефти и газа с 2040 года – и бензиновые, и дизельные машины тоже попали под государственный банхаммер. Аналитики прогнозируют принятие похожих законов на территории большинства стран ЕС уже в ближайшее время — различаться могут только даты «дедлайна».

В таких условиях любым компаниям в сфере автомобилестроения уже невыгодно вкладывать средства в развитие и производство обычных атмосферных двигателей, какими бы мощными они ни были. Дело не только в интересах «Феррари» или «Мерседеса» – каждый желающий работать в Европе вынужден перестраиваться прямо сейчас, в импровизированный «переходный период» с одинаковым отношением ко всем трем технологиям.

«Формула-1» не только бросается громкими лозунгами об экологичности, но и придерживается основных трендов, чтобы не растерять всех участников и зрителей. Именно потому можно не ждать от нового регламента 2021 года отмены гибридной составляющей: даже если ФИА захочет это провернуть, производители будут отстаивать рекуперирующие блоки до конца или в самом деле уйдут в другие гоночные серии (например, электрическую «Формулу-Е»). Просто в машиностроении наступает свой период типа «меняйся или умри», и потакание ностальгии ретроградов точно не приведет «Ф-1» к славе и процветанию.

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector