Двигатель который работает на жидком топливе или горючем газе называется

Обновлено: 15.05.2024

В двигателях внутреннего сгорания используются различные: газообразные, жидкие и даже твердые топлива, хотя практическое значение имеют только некоторые из них. Непосредственное сжигание, например, пылевидного твердого топлива в цилиндрах двигателя технически вполне осуществимо, и такие попытки имели место. Однако золообразование в цилиндрах, чрезмерно высокий износ двигателя и другие связанные с этим трудности до сих пор не преодолены. Поэтому твердые топлива предварительно газифицируются в специальных установках — газогенераторах или же используются как сырье для получения жидких топлив, например бензола. Таким образом, для приготовления рабочей смеси в двигателях внутреннего сгорания используются, как правило, жидкие или газообразные топлива.

Смесеобразование в поршневых двигателях во многом зависит от вида применяемого топлива.

Газообразное топливо смешивается с воздухом на входе в двигатель в специальном смесителе, поэтому в его цилиндры поступает уже готовая горючая смесь.

Топливовоздушную смесь из жидкого топлива и воздуха готовят Двумя способами:

1) чистый воздух и жидкое топливо подаются в цилиндры двигателя раздельно и перемешиваются непосредственно в цилиндрах, образуя с остаточными газами рабочую смесь;

2) жидкое топливо перемешивается с воздухом перед поступлением в цилиндры, куда поступает готовая горючая смесь.

Следовательно, возможны два способа приготовления топливо-воздушной смеси: вне цилиндров и непосредственно в цилиндрах. В зависимости от этого двигатели внутреннего сгорания принято разделять на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

В двигателях с внешним смесеобразованием и зажиганием рабочей смеси от электрической искры, работающих на жидком топливе, горючая смесь чаще всего подготавливается в карбюраторах. Такие двигатели принято называть карбюраторными. Внутреннее смесеобразование преимущественно используется в двигателях с воспламенением рабочей смеси от тепла, накапливаемого в процессе сжатия. Такие двигатели называются двигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями (по имени изобретателя Рудольфа Дизеля).

В практике применяются и другие сочетания методов приготовления и воспламенения рабочей смеси в поршневых двигателях, но они не изменяют основу рассмотренных методов смесеобразования.

Моторные топлива независимо от того, из какого исходного сырья и каким методом они получены, должны обладать определенными физико-химическими свойствами, обеспечивающими надежную работу двигателей, хорошую их топливную экономичность и возможно меньшие износы деталей. Экономичность двигателей, а следовательно, и общий расход горючего в известной мере зависят от теплоты сгорания топлива. Особенно большое значение это имеет для транспортных двигателей, так как радиус действия транспортных средств зависит от запаса топлива, а емкости их баков ограничены.

Газообразные и жидкие топлива нефтяного происхождения представляют собой смеси различных углеводородов широкого фракционного состава. В практике используются топлива с фракционным составом от легких газообразных до тяжелых, трудно испаряемых.

Физико-химические свойства моторных топлив, как правило, регламентируются государственными стандартами, которые обязательно учитываются при проектировании новых двигателей.

Твердые топлива — антрацит, различные угли, древесина, торф, горючие сланцы и другие — используются для получения таких газообразных топлив, как светильный, коксовый, доменный и газогенераторный газы, а также жидких топлив в виде сланцевых, угольных и других бензинов и бензолов, пригодных для сжигания в двигателях внутреннего сгорания.

Жидкие моторные топлива по роду исходного сырья подразделяются на две группы: нефтяные и ненефтяные, получаемые, например, при соответствующей переработке твердого топлива. В двигателях внутреннего сгорания в основном применяются жидкие топлива, получаемые в больших количествах путем переработки нефти. Это бензин, керосин, газойлевые и соляровые фракции и даже мазут, который используется иногда в качестве тяжелого нефтяного топлива.

Бензин представляет собой наиболее летучую жидкую часть нефти, состоящую в основном из группы индивидуальных углеводородных соединений от пентана С5Н12 до октана C8H18. Температура кипения бензиновых компонентов нефти не превышает 185-205°С.

Керосин состоит из более тяжелых углеводородов, выкипающих при температуре 290-300°С. Еще более тяжелыми фракциями являются газойль и соляровое масло. Температура выкипания углеводородов газойлевой фракции достигает 380°С, а солярового масла — 500°С.

Для карбюраторных двигателей основным топливом служит бензин, а в двигателях с воспламенением от сжатия используется дизельное топливо, основанное на смеси фракций нефти, температура кипения которых не выходит за пределы 350°С. В крупных стационарных дизелях находят применение тяжелые моторные топлива, состоящие из смеси солярового масла и мазута. Газотурбинные двигатели работают на керосине.

Нефтяное топливо в основном состоит из химических элементов: углерода С и водорода Н. Содержание углерода колеблется в пределах 85 ÷ 87%, а водорода — 13 ÷ 15%. В небольших количествах они содержат кислород О, азот N, серу S и следы воды. Эти элементы входят в нефтепродукты в виде химических соединений, главными из которых являются углеводороды, составляющие следующие группы (ряды): алканы, цикланы и ароматические углеводороды бензольного ряда.

Перечисленные группы углеводородных соединений различаются структурой молекул. Молекулы алканов, например, имеют цепное строение (незамкнутые цепи), в молекулы цикланов входят замкнутые кольца (циклы) атомов углерода с простой валентной связью, а молекулы ароматического ряда характеризуются наличием шести -членного циклического ядра с более сложной валентной связью между атомами углерода.

Групповой состав углеводородных соединений оказывает большое влияние на физико-химические свойства топлив, предопределяя возможности их использования в определенных типах двигателей.

Для топлив карбюраторных двигателей важнейшим качеством является, например, детонационная стойкость. Если детонационная стойкость топлива не соответствует выбранной (завышенной) степени сжатия, то нормальное протекание процесса сгорания нарушается. Сгорание приобретает взрывной характер, порождающий ударную волну давления, которая распространяется в цилиндре со сверхзвуковой скоростью. Удары детонационной волны о стенки цилиндра и поршень при многократном отражении вызывают вибрацию стенок, воспринимаемую как характерный резкий детонационный стук. Работа двигателя с детонационным сгоранием недопустима, так как ухудшает его показатели и приводит к разрушению некоторых ответственных деталей кривошипно-шатунного механизма.

Детонационная стойкость топлив зависит от группового состава углеводородных соединений. Чем больше в топливе ароматических соединений, тем выше его детонационная стойкость.

Антидетонационные свойства топлив оцениваются октановым числом путем сравнения топлив с эталонами. В качестве эталонов приняты изооктан (и—C8H18), обладающий хорошими антидетонационными свойствами, и нормальный гептан (н — С7Н16) с низкими антидетонационными свойствами. Октановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию изооктана в такой смеси с нормальным гептаном, которая оказывается равноценной данному топливу по детонационной стойкости при испытаниях в стандартных условиях. Октановые числа (о. ч.) современных бензинов находятся в пределах 70 ÷ 100 единиц.

Для топлив, применяемых в дизелях, важнейшим качеством является самовоспламеняемость, определяющая степень жесткости работы двигателя, о которой можно судить, например, по резкости характерного стука, возникающего при работе дизеля. Самовоспламеняемость дизельных топлив оценивается цетановым числом, которое определяют путем сравнения работы стандартного двигателя на испытуемом топливе и па смеси эталонных топлив. В качестве эталонов используются цетан (С16Н34) из группы алканов с хорошей воспламеняемостью и альфа-метилнафталин (С10Н7СН3), являющийся ароматическим углеводородом, стойким против самовоспламенения. Цетановое число топлива принимается численно равным процентному содержанию цетана в такой смеси с альфа-метил нафталином, которая по самовоспламеняемости оказывается равноценной испытуемому топливу.

Чем выше содержание алканов в дизельном топливе, тем выше его склонность к самовоспламенению и тем мягче, без сильных стуков работают дизели. Цетановое число (ц. ч.) дизельных топлив составляет примерно 45—50 единиц.

Газообразные моторные топлива широко используются для питания как транспортных, так и стационарных силовых установок.

Топлива, предназначенные для транспортных газовых двигателей, должны обладать высокой теплотой сгорания, так как иначе трудно обеспечить достаточный запас топлива при ограниченных габаритах и весе транспортных средств и их силовых устройств. Для стационарных силовых установок это требование не является существенным, поскольку они могут питаться непосредственно от источников получения газа.

В качестве газообразного топлива в двигателях внутреннего сгорания используют природные, промышленные и газогенераторные газы. Природные газы получают из скважин подземных газовых месторождений и на промыслах добычи нефти (промысловые или нефтяные газы); промышленные газы представляют собой продукты переработки нефти, твердых горючих ископаемых (например, при выжиге кокса в доменном производстве, в ряде химических производств и т. д.); газогенераторные газы получают путем газификации различных твердых топлив в газогенераторных установках.

Природные и промышленные газы в зависимости от их агрегатного состояния при использовании в качестве топлива подразделяют на два класса или группы: сжимаемые (или сжатые) и сжижаемые (или сжиженные). Эти названия групп носят условный характер, так как при глубоком охлаждении сжиженными могут быть и газы первого класса, имеющие низкую критическую температуру.

К сжимаемым относятся следующие газы: метан СН4, водород Н2, окись углерода СО и их смеси. Эти газы при нормальной температуре остаются в газообразном состоянии при сжатии их до любого высокого давления. Они хранятся в специальных баллонах под давлением в 200 кГ/см2 (≈ 20 Мн/м2). По теплоте сгорания их подразделяют на высококалорийные, среднекалорийные и низкокалорийные.

Высококалорийные газы состоят в основном из метана и имеют низшую теплоту сгорания 5500 ÷ 9000 ккал/м3 (≈ 22—36 Мдж/м3). В эту группу входят газы природные, нефтяные (промысловые) и канализационные, получающиеся при переработке сточных вод городских канализационных систем. Сюда же относится метановая фракция коксового газа.

Среднекалорийные газы содержат много водорода и окиси углерода; низшая теплота сгорания их составляет 3500 ÷ 5500 ккал/м3 (≈ 14,2—22 Мдж/м3). В основном это коксовый газ, получаемый в больших количествах при выжиге кокса.

Низкокалорийные газы характеризуются небольшим содержанием горючих компонентов, состоящих в основном из окиси углерода— 20 ÷ 30%. На инертные компоненты (балластную часть) этих газов приходится до 65%, поэтому низшая теплота сгорания их находится в пределах 1000 ÷ 3500 ккал/м3 (≈ 4—14,2 Мдж/м3). В эту группу входят доменный и различные силовые (генераторные) газы. Используются они без предварительного сжатия в основном в стационарных силовых установках.

К сжижаемым газам относятся: этан С2Н6, пропан С3Н8, бутан С4Ню. этилен С2Н4, пропилен С3НС, бутилен С4Н8 и другие компоненты нефтяных (промысловых) и промышленных газов. Низшая теплота сгорания этих газов находится в пределах 14000 ÷ 26000 ккал/м3 (56—104 Мдж/м3) — сжижаются они при обычных температурах и относительно невысоких давлениях. Это выгодно отличает их даже от высококалорийных сжимаемых газов, так как позволяет обходиться более тонкостенными баллонами, рассчитанными на рабочее давление, не превышающее 16 ÷ 20 кГ/см2 (≈ 1,6—2,0 Мдж/м2).

В качестве топлива для транспортных двигателей применяются в основном пропано-бутановые смеси.

Газообразные топлива по сравнению с бензином обладают более высокими октановыми числами, составляющими 90 ÷ 120 единиц, что позволяет повышать степень сжатия в двигателях без опасения вызвать детонационное сгорание. При работе на газообразном топливе в поршневых двигателях заметно уменьшается также износ стенок цилиндров, меньше накапливается отложений, улучшается смесеобразование, вследствие чего облегчается пуск и обеспечивается более полное сгорание топлива в цилиндрах. Поэтому газообразное топливо целесообразно использовать в автомобильных двигателях.

В поршневых двигателях с внешним смесеобразованием можно использовать только некоторые из перечисленных видов моторных топлив — газообразные и жидкие, обладающие сравнительно хорошей испаряемостью, например бензин. При использовании топлив с недостаточной испаряемостью нельзя получить на входе в цилиндры горючую смесь с нужным паросодержанием, что нарушает смесеобразование и расстраивает нормальное протекание рабочего цикла в двигателе. С точки зрения ассортимента потребляемых топлив более предпочтителен поэтому способ внутреннего смесеобразования. Двигатели с внутренним смесеобразованием при соответствующей организации процессов могут практически работать на любых жидких моторных топливах, начиная от легких, высокооктановых бензинов до тяжелых погонов нефти. Такие многотопливные двигатели получают все большее распространение.

Отличие от авиационных, автомобильных и других.

Их много. Но для целей этой статьи важно одно. Ракетным двигателям для работы нужно не только горючее, но и окислитель.

Нам кажется привычным – залил бензин (горючее) в бензобак и поехал. С ракетой так не получится. Автомобильные, авиационные, судовые и другие двигатели работают в условиях плотной кислородсодержащей (окислитель) атмосферы Земли.

Кислород, как известно, необходим для поддержания горения. Ракета плотные слои атмосферы преодолевает в течение короткой стадии полета, сразу же после старта. Поэтому, взять кислород для работы своих двигателей из атмосферы ракета она не может. И поэтому ее заправляют не только горючим , но и окислителем , как правило, кислородом.

Итак, ракетное топливо двухкомпонентное .

Само горючее , как правило это:

Почему «окислитель»? Потому что горение, это и есть химическая реакция окисления, сопровождающаяся высокой скоростью реакций и выделением теплоты и света. (Кстати, образование ржавчины, тление и многие другие процессы также являются окислением, только не столь быстрым)

Есть топливные пары без кислорода. Например, гептил (горючее) – тетраоксид диазота (окислитель). Такая пара используется в двигателях ракет семейства «Протон». Гептил очень токсичен.

Идем дальше.

Виды движения в атмосфере

Может показаться, что с этого следовало начать статью. Может быть.

Чтобы добраться до космоса, «нужно пролететь атмосферу». Итак, есть несколько видов движения в атмосфере:

Баллистическое движение

Это движение тела в пространстве под действием внешних сил. Снаряды и пушечные ядра, боеголовки баллистических ракет и так далее – все это баллистическое движение. «Вагон-снаряд» отправленный на Луну французским писателем Жюлем Верном в научно-фантастическом романе «Из пушки на Луну», также.

Аэростатическое движение

Для создания подъемной силы используется заключенный в оболочке газ (или нагретый воздух) с плотностью меньшей, чем плотность окружающего воздуха.

Воздушные шары, аэростаты, дирижабли - все это летательные аппараты легче воздуха. Американская компания World View собиралась отправлять таким образом туристов в «ближний космос» (какой хороший маркетинговый термин), то есть на высоту 30 километров.

Аэродинамическое движение

Подъемная сила создается крылом самолета благодаря поступательному движению летательного аппарата, которое сообщает ему силовая установка — авиационный двигатель.

И наконец, Реактивное движение

Ракетные двигатели — это реактивные двигатели.

Под реактивным движением тела понимают такое движение, которое возникает при отделении от тела (ракеты) некоторой его части (горячие газы из сопла двигателя под высоким давлением) с определенной скоростью относительно него.

Таким образом, ракетный двигатель выбрасывает массу (горящее топливо) в одном направлении, а сам движется в противоположном. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости.

Это были принципы, теперь к устройству.

Начнем с простого

В жидкостных ракетных двигателях топливо и окислитель находятся в жидком состоянии в двух раздельных резервуарах. По трубопроводам они попадают в камеру сгорания. Здесь они перемешиваются и сгорают, создавая поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет, а после выходят, образуя реактивную тягу.

Кажется все просто? На самом деле нет!

Первая инженерная задача

Здесь и далее последовательность задач дана только для упрощения объяснения.

Ввиду высокой температуры горения, и значительного количества выделяемого тепла, даже малой его части достаточно для термического разрушения двигателя. Стенки камеры двигателя и сопло нужно охлаждать.

Но чем? Нужно максимально простое решение, чтобы не усложнять двигатель и не увеличивать его вес.

Самое распространенное: охлаждать одним из компонентов топлива, как правило, это горючее. В стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой части сопла создаются полости («рубашка охлаждения»), через которые перед поступлением в форсуночную головку камеры сгорания проходит горючее. Таким образом, холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей двигателя, чтобы охладить их, а затем попадает в камеру сгорания.

Вторая инженерная задача

Компоненты топлива сами в камеру сгорания не будут поступать. Нужны насосы. Они будут создавать высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо.

Но нам снова, нужно чтобы двигатель и ракета были максимально простыми и легкими (насколько это можно). Решение нашлось. Часть топлива используется для работы насосов. Оно подается в небольшую камеру «предварительного» сгорания – газогенератор. Горячий газ из нее приводит в действие турбину, она – приводит в действие топливные насосы. Турбина одна. Насосов два – на одном валу.

Что дальше?

Что делать с топливом, которое прошло через газогенератор. Его после раскручивания турбины можно сбрасывать наружу. Именно так устроен двигатель Merlin (кислородно-керосиновый), используемый SpaceX на ракетах Falcon 9. Это, так называемая открытая схема.

Схема проста, но недостаточно эффективна. В создании тяги ракетного двигателя топливо, прошедшее через газогенератор, напрямую не участвует, а место в ракете занимает.

Можно его дожигать в камере сгорания. Как, например, в РД-180 (кислородно-керосиновый), который покупают у нас американцы для установки на первую ступень ракет семейства «Атлас» начиная с Atlas III.

Это схема называется закрытой. Горячий газ вначале вращает турбину турбонасосного агрегата, а затем подается в камеру сгорания, эффективно участвуя в создании тяги ракетного двигателя. Топливо не пропадает и полностью участвует в создании тяги. Такой двигатель гораздо сложнее. В двигателе закрытой схемы можно пропустить больше газа через турбонасосный агрегат, а значит, больше поднять давление в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания, тем больше тяга. Высокое давление – большая эффективность двигателя.

Однако у него есть недостатки — высокая нагрузка на турбину двигателя, относительно высокие сложность и стоимость.

Зато двигатели Merlin имеющие низкое давление в камере сгорания достаточно просты в производстве и дешевы. Именно на них Илон Маск потеснил «Роскосмос» на рынке космических запусков и запустил в космос родстер Tesla .

Усложняем дальше

А еще можно все топливо пропускать через газогенератор . Такая схема называется полнопоточная закрытая. Мы делали такой двигатель в 60-х (РД-270), но в таких двигателях нужно два газогенератора и два турбонасосных агрегата, которые ведут в одну камеру сгорания и работают параллельно.

Однако в РД-270 наблюдались низкочастотные пульсации в газогенераторе и камере. Возникла проблема в синхронизации совместной работы двух турбонасосных агрегатов. Они пытались пересилить друг друга и стабилизировать их без помощи быстродействующего бортового компьютера не удалось. Но такого в то время еще не было.

В феврале этого года Илон Маск объявил результаты тестирования двигателя Raptor (кислородно-метановый). Его получат ракета Super Heavy и корабль Starship. По заявлениям Маска его характеристики лучше, чем у РД-180. Высокое давление в камере сгорания обеспечено именно полнопроточной закрытой схемой.

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

В 2007 году та же BMW выпустила ограниченную серию автомобилей Hydrogen 7, которые могли работать как на бензине, так и на водороде. Но машина была недешевой, при этом 8-килограммового баллона с газом хватало всего на 200-250 км.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Где применяют водородное топливо?

В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
Бесшумная работа двигателя;
Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

С одной стороны, в Европе Toyota Mirai II стоит несколько дешевле, чем Tesla Model S (€64 тыс. против €77 тыс.) [18]. Полная зарядка водородного автомобиля занимает около 3 минут — против 30-75 минут для электрокара. Однако вся разница — в обслуживании: Toyota Mirai вмещает 5 кг водородного топлива [19] по цене $8-9 за кг. Таким образом, полный бак обойдется в $45, и его хватит на 500 км — получаем около $9 за 100 км пробега. Для Tesla Model S те же 100 км обойдутся всего в $3.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Содержание

История

По окончании войны разработки немецких конструкторов подтолкнули исследования в области ракетостроения в СССР и в США, куда эмигрировали многие немецкие учёные и инженеры, в том числе В. фон Браун. Начавшаяся гонка вооружений и соперничество СССР и США за лидерство в освоении космоса явились мощными стимуляторами разработок ЖРД.

В настоящее время космические программы всех стран базируются на использовании ЖРД.

Сфера использования, преимущества и недостатки

Ракеты-носители и двигательные установки различных космических аппаратов являются преимущественной областью применения ЖРД.

К преимуществам ЖРД можно отнести следующие:

Недостатки ЖРД:

— Каторгин, Борис Иванович, академик РАН, бывший руководитель НПО "Энергомаш"

Устройство и принцип действия двукомпонентного ЖРД

Существует довольно большое разнообразие схем устройства ЖРД, при единстве главного принципа их действия. Рассмотрим устройство и принцип действия ЖРД на примере двукомпонентного двигателя с насосной подачей топлива, как наиболее распространённого, схема которого стала классической. Другие типы ЖРД (за исключением трёхкомпонентного) являются упрощенными вариантами рассматриваемого, и при их описании достаточно будет указать упрощения.

Топливная система

Альтернативой замкнутому циклу является открытый цикл, при котором выхлоп турбины производится прямо в окружающую среду через отводной патрубок. Реализация открытого цикла технически проще, поскольку работа турбины не связана с работой камеры ЖРД, и в этом случае ТНА вообще может иметь свою независимую топливную систему, что упрощает процедуру запуска всей двигательной установки. Но системы с замкнутым циклом имеют несколько лучшие значения удельного импульса, и это заставляет конструкторов преодолевать технические трудности их реализации, особенно для больших двигателей ракет-носителей, к которым предъявляются особо высокие требования по этому показателю.

При небольшой тяге двигателя (и, следовательно, небольшом расходе топлива) турбонасосный агрегат становится слишком «тяжеловесным» элементом, ухудшающим весовые характеристики двигательной установки. Альтернативой насосной топливной системе служит вытеснительная, при которой поступление топлива в камеру сгорания обеспечивается давленнием наддува в топливных баках, создаваемое сжатым газом, чаще всего азотом, который негорюч, неядовит, не является окислителем и сравнительно дёшев в производстве. Для наддува баков с жидким водородом употребляется гелий, так как другие газы при температуре жидкого водорода конденсируются и превращаются в жидкости.

Максимальное увеличение числа форсунок в головке, с пропорциональной минимизацией расхода через одну форсунку. (В форсуночной головке двигателя F1 устанавливается 2600 форсунок для кислорода и 3700 форсунок для керосина).
Специальная геометрия расположения форсунок в головке и порядок чередования форсунок горючего и окислителя.
Специальная форма канала форсунки, благодаря которой при движении по каналу жидкости сообщается вращение, и при поступлении в камеру она разбрасывается в стороны центробежной силой.

Система охлаждения

Для ЖРД с насосной подачей топлива в основном применяются два метода охлаждения стенок камеры ЖРД: регенеративное охлаждение и пристенный слой, которые часто используются совместно. Для небольших двигателей с вытеснительной топливной системой часто применяется абляционный метод охлаждения.

Разработаны разные технологические приёмы для создания рубашки охлаждения. Камера ЖРД ракеты Фау-2, например, состояла из двух стальных оболочек, внутренней и внешней, повторявших форму друг друга. По зазору между этими оболочками проходил охлаждающий компонент (этанол). Из-за технологических отклонений толщины зазора возникали неравномерности течения жидкости, в результате создавались локальные зоны перегрева внутренней оболочки, которая часто «прогорала» в этих зонах, с катастрофическими последствиями.

В современных двигателях внутренняя часть стенки камеры изготовляется из высокотеплопроводных бронзовых сплавов. В ней создаются узкие тонкостенные каналы методом фрезерования (15Д520 РН 11К77 Зенит, РН 11К25 Энергия), или травления кислотой (SSME Space Shuttle). Снаружи эта конструкция плотно обхватывается несущей листовой оболочкой из стали или титана, которая воспринимает силовую нагрузку внутреннего давления камеры. По каналам циркулирует охлаждающий компонент. Иногда рубашка охлаждения собирается из тонких теплопроводных трубок, для герметичности пропаянных бронзовым сплавом, но такие камеры рассчитаны на более низкое давление.

Запуск ЖРД

После воспламенения топлива поддержание непрерывного процесса его горения происходит само собой: топливо, вновь поступающее в камеру сгорания воспламеняется за счёт высокой температуры, созданной при сгорании ранее введённых порций.

Для первоначального воспламенения топлива в камере сгорания при запуске ЖРД используются разные методы:

Автоматика запуска двигателя согласовывает по времени действие воспламенителя и подачу топлива.

Запуск больших ЖРД с насосной топливной системой состоит из нескольких стадий: сначала запускается и набирает обороты ТНА (этот процесс также может состоять из нескольких фаз), затем включаются главные клапаны ЖРД, как правило, в две или больше ступеней с постепенным набором тяги от ступени к ступени до нормальной.

Система автоматического управления ЖРД

Современный ЖРД снабжается довольно сложной автоматикой, которая должна выполнять следующие задачи:

Безопасный пуск двигателя и вывод его на основной режим.
Поддержание стабильного режима работы.
Изменение тяги в соответствии с программой полёта или по команде внешних систем управления.
Отключение двигателя по достижении ракетой заданной орбиты (траектории).
Регулирование соотношения расхода компонентов.

Компоненты топлива

Одним из важнейших показателей, характеризующих сочетание компонентов является удельный импульс, который имеет особенно важное значение при проектировании ракет-носителей космических аппаратов, так как от него в сильнейшей степени зависит соотношение массы топлива и полезного груза, а следовательно, размеры и масса всей ракеты (см. Формула Циолковского), которые при недостаточно высоком значении удельного импульса могут оказаться нереальными. В таблице 1 приведены основные характеристики некоторых сочетаний компонентов жидкого топлива.

Таблица 1. [3]

Окислитель	Горючее	Усреднённая плотность топлива [4] , г /см³	Температура в камере сгорания, °К	Пустотный удельный импульс, с
Кислород	Водород	0,3155	3250	428
Керосин	1,036	3755	335
Несимметричный диметилгидразин	0,9915	3670	344
Гидразин	1,0715	3446	346
Аммиак	0,8393	3070	323
Тетраоксид диазота	Керосин	1,269	3516	309
Несимметричный диметилгидразин	1,185	3469	318
Гидразин	1,228	3287	322
Фтор	Водород	0,621	4707	449
Гидразин	1,314	4775	402
Пентаборан	1,199	4807	361

Помимо удельного импульса при выборе компонентов топлива, решающую роль могут сыграть и другие показатели свойств топлива, в том числе:

Однокомпонентные ЖРД

Однокомпонентнымми являются и реактивные двигатели, работающие на сжатом холодном газе (например, воздухе или азоте). Такие двигатели называются газореактивными и состоят из клапана и сопла. Газореактивные двигатели применяются там, где недопустимо тепловое и химическое воздействие выхлопной струи, и где основным требованием является простота конструкции. Этим требованиям должны удовлетворять, например, индивидуальные устройства перемещения и маневрирования космонавтов (УПМК), расположенные в ранце за спиной и предназначенные для перемещения при работах вне космического корабля. УПМК работают от двух баллонов со сжатым азотом, который подается через соленоидные клапаны в двигательную установку, состоящую из 16 двигателей.

Трёхкомпонентные ЖРД

С начала 1970-х годов в СССР и США изучалась концепция трехкомпонентных двигателей, которые сочетали бы в себе высокое значение удельного импульса при использовании в качестве горючего водорода, и более высокую усреднённую плотность топлива (а, следовательно, меньший объём и вес топливных баков), характерную для углеводородного горючего. При запуске такой двигатель работал бы на кислороде и керосине, а на больших высотах переключался на использование жидких кислорода и водорода. Такой подход, возможно, позволит создать одноступенчатый космический носитель. Российским примером трехкомпонентного двигателя является ЖРД РД-701, который был разработан для многоразовой транспортно-космической системы МАКС.

Управление ракетой

Помимо поворотных камер, иногда используются двигатели, служащие только для целей управления и стабилизации летательного аппарата. Две камеры с противоположно направленными соплами жёстко закрепляются на корпусе аппарата таким образом, чтобы тяга этих камер создавала момент силы вокруг одной из главных осей аппарата. Соответственно, для управления по двум другим осям также устанавливаются свои пары управляющих двигателей. Эти двигатели (как правило, однокомпонентные) включаются и выключаются по команде системы управления аппаратом, разворачивая его в требуемом направлении. Такие системы управления обычно используются для ориентации летательных аппаратов в космическом пространстве.

Всемирно известные ЖРД

На сегодняшний день ДВС в основном представлен двумя обширными группами:
1). "Бензиновые".
2). "Дизельные".

Судя по названию можно подумать — что вся разница в применяемом топливе.
На самом деле "бензиновые" двигатели прекрасно работают на целом списке горючих газов(метане, пропане, бутане и куче других), а также на легроине, газолине, керосине, метаноле, эфирах, спиртах и т.п.
"Дизельный" двигатель менее всеяден, но тоже не погнушается керосином, моторным или иным маслом(вплоть до растительного), некоторыми эфирами и спиртами, бензином с конской добавкой моторного масла, мазутом.

Есть одна тенденция — намного проще адаптировать двигатель к более "лёгким" топливам, чем к более "тяжёлым". Если добавить моторного масла или солярки в бак "бензиновому" двигателю — то сгорит только небольшая часть более "тяжелого" топлива. При том, что перемешано с бензином будет идеально(практически на молекулярном уровне) — молекулы "тяжёлого" топлива сгорают в "бензиновом" двигателе крайне неохотно…
А вот лёгкое топливо в "дизельном" двигателе и само сгорает лучше родного, и сгорание родного топлива улучшает…

Работа двигателя на "неродном" топливе или на разного рода коктейлях и суррогатах часто вызывает ухудшение характеристик двигателя, а также может вызвать ускоренный износ и даже поломку некоторых узлов — потому так не любят иностранные компании поставлять на просторы бывшего СССР некоторые свои автомобили.

С другой стороны, если собрать все углеводородные топлива на тест — испарить, смешать с воздухом в стехиометрической пропорции и запалить в ФАКЕЛЕ — то окажется что характеристики СГОРАНИЯ всех этих топлив отличаются не сильно. Такие основные характеристики как температура сгорания, теплотворная способность — всё это практически одинаково…

Кардинально отличаются только характеристики ИСПАРЕНИЯ и ВОСПЛАМЕНЕНИЯ.

Топлива для "бензиновых" двигателей характеризуются ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ.
Они НЕ должны самопроизвольно воспламеняться при повышении давления и температуры. Стойкость к САМОвоспламенению определяет низкую СКОРОСТЬ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ этих топлив.
Эта основная характеристика топлива для "бензиновых" двигателей называется ОКТАНОВЫМ ЧИСЛОМ.

Топлива для "дизельных" двигателей характеризуются параметрами САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ.
Склонность к САМОвоспламенению определяет высокую СКОРОСТЬ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ этих топлив.
Эта основная характеристика топлива для "дизельных" двигателей называется ЦЕТАНОВЫМ ЧИСЛОМ.

Если взять два стакана с этими топливами и попытаться ВОСПЛАМЕНИТЬ например спичкой — то картина воспламенения покажется обратной — "бензиновое" топливо воспламенится легче, чем "дизельное". Связано это с тем, что в ЖИДКОМ виде НИКАКИЕ топлива не горят вообще. Горит всегда и только ГАЗООБРАЗНАЯ СМЕСЬ топлива с окислителем.
А скорость испарения "бензиновых"("лёгких") топлив в разы и порядки выше, чем топлив "дизельных"("тяжёлых").

Именно ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ и определяют НАПРЯМУЮ и КОНСТРУКЦИЮ конкретных двигателей и протекающие в них ПРОЦЕССЫ:

1). "БЕНЗИНОВЫЕ" ДВИГАТЕЛИ — являются двигателями с ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ("внешним") смесеобразованием, ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ воспламенением и КОЛИЧЕСТВЕННЫМ регулированием.

В этих двигателях вначале готовится ОДНОРОДНАЯ(гомогенная) смесь близкая к СТЕХИОМЕТРИИ.
СТЕХИОМЕТРИЧЕСКАЯ горючая СМЕСЬ — это такая смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего. Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения.

Все молекулы топлива и окислителя к моменту начала воспламенения уже должны буквально "держаться за руки" — находиться в непосредственной близости друг от друга. Малейшее нарушение гомогенности или стехиометрии в большую или меньшую сторону резко ухудшает поджиг смеси и последующее её сгорание.
В областях с бедной или богатой смесью топливо горит медленнее; в зонах с богатой смесью топливо полностью сгореть вообще не может — в выхлопе будет много недогоревшего топлива(углеводородов и угарного газа), мощность и КПД двигателя снизятся.

Потому в идеале в выхлопе "бензинового" двигателя не должно быть ни молекул топлива, ни молекул кислорода.

СМЕСЬ в цилиндры поступает полностью готовая к поджигу в КОЛИЧЕСТВЕ, определяемом газулькой.
Для обеспечения одинаковых условий сгорания разных количеств СМЕСИ в "бензиновом" двигателе для регулировки мощности должен меняться объём камеры сгорания. К сожалению реализовать это так и не сумели до сих пор. Вывернулись по другому — на режимах частичной мощности количество смеси, поступающей в камеру сгорания, ограничивают ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКОЙ. На холостом ходу в камеру сгорания поступает в 5 РАЗ меньше СМЕСИ, чем на режиме максимальной мощности — поэтому на холостом ходу и на режимах частичной мощности "бензиновый" двигатель сжимает сильно РАЗРЯЖЁННУЮ СМЕСЬ и к концу такта сжатия и ДАВЛЕНИЕ СМЕСИ и ТЕМПЕРАТУРА СМЕСИ отличаются очень сильно на разных режимах двигателя — потому "бензиновый" двигатель работает более-менее идеально только при полностью открытой дроссельной заслонке.
Фактически "бензиновый" двигатель(особенно ТУРБО"бензиновый") является двигателем с очень переменной степенью ФАКТИЧЕСКОГО сжатия.
НОМИНАЛЬНАЯ степень ФАКТИЧЕСКОГО сжатия ТУРБО"бензинового" двигателя упирается в детонацию, про которую мы поговорим чуть ниже. Часть ФАКТИЧЕСКОГО сжатия СМЕСИ обеспечивается ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕМ — потому ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ степень сжатия ТУРБО"бензинового" двигателя меньше атмосферного на 1-2 единицы. На режимах частичной мощности ФАКТИЧЕСКОЕ сжатие уменьшается по мере прикрывания дроссельной заслонки и уменьшения производительности турбонагнетателя. На режиме холостого хода при минимально открытой дроссельной заслонке ФАКТИЧЕСКАЯ степень сжатия ТУРБО"бензинок" снижается до 2-3…

Как мы знаем — КПД двигателя довольно сильно зависит от степени сжатия:

Надеюсь теперь все поняли почему так прожорливы "бензинки"(а особенно "ТУРБОбензинки") на холостом ходу и режимах частичной мощности? Почему они кипят именно в пробках надеюсь теперь тоже объяснять не нужно?

Сразу скажу, что объём камеры сгорания на самом деле не фига не константа на любом ДВС, как и степень сжатия. Но про всё это безобразие давайте подробно поговорим в отдельной статье про степень сжатия, а сейчас давайте посмотрим как происходит СГОРАНИЕ топлива в "бензиновом" ДВС.

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ смеси производится принудительно свечой зажигания.
Тем не менее термин "пропуски воспламенения" актуален исключительно для "бензиновых" двигателей.
И нужно чётко понимать, что с момента воспламенения сгорание в "бензиновом" двигателе становится неуправляемым — оно развивается дальше по той "программе" что была заложена до подачи искрового разряда.
Программа не сложная и данных не вагон — давление, температура и стехиометрия СМЕСИ на момент зажигания, параметры СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ и характеристика изменения ОБЪЁМА камеры сгорания на всём протяжении сгорания смеси.

Вокруг искрового разряда образуется очаг воспламенения, от которого по СМЕСИ начинает распространяться ФРОНТ ПЛАМЕНИ.

По скорости движения ФРОНТА ПЛАМЕНИ горение подразделяется на медленное горение(дефлаграция) и быстрое горение(детонация). Волна дефлаграционного горения распространяется с дозвуковой скоростью, а нагрев исходной смеси осуществляется в основном теплопроводностью. Детонационная волна движется со сверхзвуковой скоростью, при этом химическая реакция поддерживается благодаря нагреву реагентов ударной волной и, в свою очередь, поддерживает устойчивое распространение этой ударной волны.

Сгорание, при котором окислитель и горючее заранее перемешаны на молекулярном уровне, называется горением предварительно перемешанной СМЕСИ(premixed combustion) — ГОМОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ.
Наш случай.

Академическая наука обзывает ГОРЕНИЕМ любой "сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций, сопровождающийся интенсивным выделением тепла". Почему-то наука термодинамика настаивает на том, что в двигателе выделение тепла происходит только на фоне излучения видимого СВЕТА от ПЛАМЕНИ. Не будем в этой статье углубляться в это противоречие. Сейчас нам важно только то, что давление и температура внутри очага пламени намного выше, чем снаружи — зона пламени начинает расширяться и поджимать ещё не охваченные пламенем участки смеси к стенкам цилиндра:

Процесс этот не быстрый(и уж точно не мгновенный), медленное развитие которого и определяет относительно медленное нарастание давления и температуры в камере сгорания. Именно невысокая скорость распространения фронта пламени определяет и возникновение "бензиновой" ДЕТОНАЦИИ. В зонах ещё не охваченных пламенем из-за нарастания температуры и давления возникают очаги САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ, проявляющиеся на индикаторной диаграмме резкими скачками давления:

Поскольку "бензиновое" топливо самовоспламеняется относительно неохотно — то задержка самовоспламенения довольно значительна и обычно самовоспламенение банально не успевает развиться за то время пока движется фронт пламени. Тем не менее "бензиновый" двигатель просто вынужден всегда балансировать на грани появления детонации — потому как отсутствие детонации означает совсем низкую скорость горения смеси(соответственно — нарастания давления и температуры) — при этом топливо просто не успевает полностью воспламениться и сгореть.
Не забываем, что углеводородное топливо в ГОМОГЕННЫХ условиях выгорает этапами — вначале выгорает в основном водород с образованием воды, затем выгорает углерод с образованием угарного газа, затем уже угарный газ выгорает с образованием углекислого газа. При этом 65% энергии цикла образуется именно при сгорании угарного газа. Эта особенность также сильно влияет на динамику цикла сгорания.

Варианты "бензиновых" двигателей с форкамерами и другим "послойным" смесеобразованием, сверхмощными искровыми или лазерными системами зажигания — все они направлены на то, чтобы ВОСПЛАМЕНЕНИЕ смеси сделать как можно более интенсивным без побочного эффекта в виде детонации.

2). "ДИЗЕЛЬНЫЕ" ДВИГАТЕЛИ — являются двигателями с НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ("внутренним") смесеобразованием, САМОвоспламенением(воспламенением от сжатия) и КАЧЕСТВЕННЫМ регулированием.

В цилиндрах сжимается чистый воздух, а топливо впрыскивается в жидком виде непосредственно в камеру сгорания под сверхвысоким давлением через распылитель форсунки. Для того чтобы СТАНДАРТНОЕ дизельное топливо самовоспламенилось нужна температура и давление значительно более высокие, чем возникают на этапе сжатия в "бензиновом" двигателе. Потому изначально "дизельный" двигатель имел степень сжатия в два-три раза бОльшую, чем "бензиновый", в котором топливо воспламеняется принудительно за счёт создания ЛОКАЛЬНОГО очага со сверхвысокой температурой. В "дизельном" двигателе локальным очагом отделаться не получается — потому высокую температуру и давление в камере сгорания приходится создавать во всём объёме. Давление в "дизельном" двигателе создаётся настолько высокое, что начинают меняться характеристики топлива — например температура самовоспламенения снижается почти в два раза по сравнению с атмосферным давлением.

Поскольку скорость воспламенения дизельного топлива очень велика — его подают в камеру сгорания ДОЗИРОВАНО, на протяжении 10-50 градусов по коленвалу в зависимости от мощностного режима. Даже при этом "жёсткость" сгорания в "дизельном" двигателе намного выше, чем в "бензиновом". Особенно в момент первоначального воспламенения всего того топлива, что было впрыснуто в камеру сгорания за период задержки воспламенения:

Чтобы уменьшить "жесткость" первоначального сгорания на старых "дизелях" применяли форсунки с предвпрыском — за счёт двупружинной конструкции такая форсунка начинала подачу через жиклёр меньшего сечения:

На новых дизелях подобную функцию реализуют за счёт быстродействия запорного элемента современных форсунок с электронным управлением — перед подачей основной порции топлива такая форсунка кратковременно открывается и впрыскивает небольшую запальную дозу:

После того как воспламенится запальная доза дизельного топлива — начинает впрыскиваться основная. Поскольку впрыск осуществляется уже в пламя, при высоких температуре и давлении — предпламенные реакции у каждой капельки топлива занимают минимальное время. Но поскольку даже в условиях высокой температуры испарение каждой капельки — довольно длительный процесс, то и сгорание КАЖДОЙ КАПЕЛЬКИ происходит в течение довольно длительного времени…
На длительность сгорания каждой капельки ДТ также серьёзное влияние оказывает дефицит кислорода ВБЛИЗИ этой конкретной капельки, нарастающий по мере её сгорания.

Потому в идеале в выхлопе "дизельного" двигателя не должно быть молекул топлива, но кислорода будет довольно много даже на режиме максимальной мощности.

Для интенсификации процесса испарения капелек "дизельного" топлива применяют впрыск под очень высоким давлением. За счёт этого размер капелек значительно уменьшается, а площадь поверхности капелек(с которой и происходит испарение) — стремительно увеличивается. К тому же мелкие капельки быстрее прогреваются, что тоже ускоряет испарение и предпламенные реакции.

Поскольку сгорание происходит на границе жидкой среды(топливо) и газообразной(окислитель) — то скорость сгорания лимитируется скоростью ДИФФУЗИИ(перемешивания) молекул топлива и окислителя — соответственно и сгорание в "дизельном" двигателе — ДИФФУЗИОННОЕ(гетерогенное).
Для улучшения процесса перемешивания частиц топлива и воздуха в "дизельных" двигателях уделяют повышенное внимание ТУРБУЛИЗАЦИИ:

Но даже в таких условиях за цикл сгорания значительное количество окислителя до топлива так и не доберётся — потому в "дизельном" двигателе топлива всегда подаётся значительно меньше, чем его можно сжечь ТЕОРЕТИЧЕСКИ. Подробнее здесь — www.drive2.ru/l/473421120691765334/

После того, как ВОСПЛАМЕНИТСЯ всё топливо в камере сгорания — ДАВЛЕНИЕ достигает своего максимума.
В этот момент поршень начинает стремительно набирать скорость и уходить вниз. Но температура ещё некоторое время нарастает(вопреки термодинамике) и не допускает резкого снижения давления в условиях стремительно увеличивающегося объёма камеры сгорания. Тем не менее температура завязана на давление, давление — на объём камеры сгорания, объём камеры сгорания — на положение поршня. А поршень всё стремительнее уходит вниз — вызывая столь же стремительное замедление процессов сгорания…

Эта картина едина для всех двигателей — и "бензиновых" и "дизельных".
Не будем только забывать, что в "бензиновом" двигателе горит ГОМОГЕННАЯ СМЕСЬ, в которой атомы топлива и окислителя находятся в непосредственной атомарной близости, а в "дизельном" двигателе "горят" капельки мелкораспылённого топлива — потому процесс горения идёт параллельно со смесеобразованием.
Именно скорость испарения топлива в дизельном двигателе и определяет максимальные его обороты.

Всё топливо, что не успело сгореть — вылетит в выхлопную трубу. Поскольку процессы сгорания кардинально разные — у "дизельного" двигателя недогоревшее топливо представлено в основном сажей, а у "бензинового" — угарным газом.

Есть интересный момент, который не в состоянии толком объяснить официальная наука.
По всем канонам термодинамики — скорость горения топлива есть величина постоянная при одинаковых условиях.
По факту мы наблюдаем, что процессы сгорания чудесным образом "подстраиваются" под скорость вращения коленчатого вала. Сгорание протекает без особых эксцессов и на 600 оборотах коленвала и на 6000.
И опережение "зажигания" тут совсем не при чём.
Но об этом в следующих сериях.

Читайте также: