Cómo ahorrar energía en motores de combustión interna
Por supuesto, los motores de combustión interna también tienen muchas desventajas, principalmente: tienen altos requisitos de combustible y no pueden quemar directamente combustibles de baja calidad y combustibles sólidos debido a la ventilación intermitente y las dificultades de fabricación, la potencia de una sola máquina; el aumento es limitado. La potencia máxima de los motores de combustión interna modernos es generalmente inferior a 40.000 kilovatios, mientras que la potencia de una sola máquina de las máquinas de vapor puede llegar a cientos de miles de kilovatios. El motor de combustión interna no se puede invertir; el ruido del motor de combustión interna y los componentes nocivos de los gases de escape contaminan especialmente el medio ambiente. Se puede decir que la historia del desarrollo del motor de combustión interna en el siglo pasado es una historia de continua innovación y desafíos para superar estas deficiencias.
El desarrollo del motor de combustión interna tiene una historia de aproximadamente un siglo y medio. Como otras ciencias, cada avance en el motor de combustión interna es un resumen y una generalización de la experiencia práctica de producción humana. La invención del motor de combustión interna comenzó con la investigación y mejora de la máquina de vapor de pistón. En la historia de su desarrollo, cabe hacer una mención especial a los alemanes Otto y Diesel. Fueron ellos quienes propusieron el ciclo Otto y el ciclo Diesel perfectos para el ciclo de trabajo del motor de combustión interna basándose en un resumen de las innumerables experiencias prácticas de sus predecesores, que resumieron científicamente las actividades prácticas y creativas de innumerables personas a lo largo de las décadas. salto cualitativo. Heredaron, desarrollaron, resumieron y mejoraron la experiencia superficial, puramente empírica y desordenada de sus predecesores.
Motores de combustión interna de pistones alternativos
Existen muchos tipos de motores de combustión interna de pistones alternativos, y los principales métodos de clasificación son los siguientes: Según los diferentes combustibles utilizados, se dividen en motores de gasolina, motores diésel, motores de queroseno y motores de gas (incluidos varios motores de combustión interna de gas), etc. Según el número de carreras en cada ciclo de trabajo, se divide en cuatro tiempos y dos tiempos según los diferentes métodos de encendido, se puede dividir en tipo de encendido y tipo de encendido por compresión, según los diferentes métodos de enfriamiento; se puede dividir en enfriado por agua y enfriado por aire según la disposición del cilindro. Las diferentes formas se dividen en en línea, en forma de V, opuestas y en forma de estrella. Según el número de cilindros, se pueden dividir en motores de combustión interna monocilíndricos y motores de combustión interna multicilíndricos. Según los diferentes usos de los motores de combustión interna, se dividen en usos automotrices, agrícolas, locomotoras, marinos y estacionarios. Este artículo le presentará principalmente el desarrollo de motores de gasolina, motores de gasolina y motores diésel.
El primer motor de combustión interna: el motor de gasolina
El primer motor de combustión interna fue un motor de gasolina que utilizaba gas como combustible. En 1860, el inventor francés Lionel creó el primer motor de combustión interna práctico (motor de gas de encendido eléctrico, monocilíndrico, de dos tiempos, sin compresión, potencia de salida de 0,74 a 1,47 kW, velocidad de 100 rpm, eficiencia térmica del 4%). El ingeniero francés Derocha se dio cuenta de que para maximizar la eficiencia térmica del motor de combustión interna, es necesario reducir al máximo el área de enfriamiento de cada volumen de cilindro, expandir el pistón lo más rápido posible y ampliar el rango ( accidente cerebrovascular) el mayor tiempo posible. Sobre esta base, propuso en 1862 el famoso ciclo de cuatro tiempos de combustión de volumen constante: admisión, compresión, expansión de combustión y escape.
En 1876, el alemán Otto fabricó el primer motor de combustión interna de pistón alternativo de cuatro tiempos (monocilíndrico, horizontal, que utiliza gas como combustible, potencia aproximada de 2,21 KW, 180 r/min). En este motor, Otto añadió un volante para que funcionara suavemente, alargó la entrada de aire y mejoró la culata para dar forma completa a la mezcla. Fue un motor de gran éxito, con el doble de eficiencia térmica que las máquinas de vapor de la época. Otto integra las tres ideas técnicas clave de combustión interna, gas comprimido y cuatro tiempos, otorgando a este motor de combustión interna una serie de ventajas como alta eficiencia, tamaño pequeño, peso ligero y alta potencia. En la Exposición Universal de París de 1878, fue aclamado como "el mayor logro de la máquina eléctrica desde Watt". El ciclo de cuatro tiempos de combustión a volumen constante se realiza mediante el ciclo Otto, también llamado ciclo Otto.
Aunque los motores de gas tienen grandes ventajas sobre los motores de vapor, todavía no pueden cumplir los requisitos de alta velocidad y portabilidad bajo una producción en masa socializada. Debido a que utiliza gas como combustible, requiere un enorme generador de gas y un sistema de tuberías. Además, el poder calorífico del gas es bajo (aproximadamente 1,75×107 ~ 2,09×107J/m3), por lo que el motor de gasolina gira lentamente y tiene una potencia específica pequeña. En la segunda mitad del siglo XIX, con el auge de la industria petrolera, se convirtió en una tendencia inevitable sustituir el gas natural por productos derivados del petróleo como combustible.
La aparición del motor de gasolina
En 1883, Daimler y Maybach fabricaron el primer motor de gasolina alternativo de cuatro tiempos. Este motor estaba equipado con un carburador diseñado por Maybach y utilizaba tubos incandescentes para solucionar el problema de encendido. En el pasado, la velocidad de los motores de combustión interna no superaba las 200 rpm, pero la velocidad de los motores de gasolina de Daimler saltaba a 800-1000 rpm. Se caracteriza por su alta potencia, peso ligero, tamaño pequeño, rotación rápida y alta eficiencia, y es especialmente adecuado para el transporte. Al mismo tiempo, Benz también desarrolló con éxito el dispositivo de encendido y el refrigerador refrigerado por agua, que todavía se utilizan.
A finales del siglo XIX, los principales motores de combustión interna de pistón centralizado entraron generalmente en la etapa práctica y pronto mostraron una gran vitalidad. Los motores de combustión interna se han mejorado e innovado continuamente en una amplia gama de aplicaciones y hasta ahora han alcanzado un alto nivel técnico. En una historia de desarrollo tan larga, hay dos etapas de desarrollo importantes que marcan época: primero, la aplicación generalizada de la tecnología de sobrealimentación en los motores y luego la aplicación de la tecnología electrónica y las computadoras en el desarrollo de motores desde la década de 1970. todavía en ascenso.
Primero, echemos un vistazo al desarrollo de los motores de gasolina en este siglo. Impulsados por las industrias del automóvil y la aviación, los motores de gasolina se han desarrollado enormemente. Según el proceso de mejora de la potencia de los motores de gasolina, la eficiencia térmica, la potencia específica y la reducción del consumo de combustible, el desarrollo de los motores de gasolina se puede dividir en cuatro etapas.
La primera etapa fue en las dos primeras décadas de este siglo. Para satisfacer las necesidades del transporte, el objetivo principal era mejorar la potencia y la potencia específica. Las principales medidas técnicas adoptadas son aumentar la velocidad, aumentar el número de cilindros y mejorar los correspondientes dispositivos auxiliares. Durante este período, la velocidad de rotación aumentó de 500-800 rpm en el último siglo a 1000-1500 rpm, y la potencia específica aumentó de 3,68 W/Kg a 441,3-735,5 w/kg, lo que mejoró enormemente el rendimiento de vuelo de la aeronave. Y la capacidad de carga del coche es de gran importancia.
La segunda etapa, en la década de 1920, resolvió principalmente el problema de la detonación y combustión de los motores de gasolina. En ese momento, cuando la relación de compresión del motor de gasolina llegó a 4, el motor de gasolina explotó. Miguel y Boyd del Laboratorio de Investigación de General Motors en Estados Unidos aumentaron la relación de compresión de 4 a 8 agregando una pequeña cantidad de tetraetilaluminio a la gasolina, interfiriendo con el proceso normal de unión molecular del oxígeno y la gasolina. Mejorando enormemente la potencia y la térmica. Eficiencia de los motores de gasolina. En aquella época, otro factor que afectaba seriamente a la potencia y eficiencia térmica de los motores de gasolina era la forma y estructura de la cámara de combustión. Ricardo y sus colaboradores en el Reino Unido mejoraron la cámara de combustión estudiando varias cámaras de combustión y principios de combustión, aumentando la potencia de los motores de gasolina en un 20%.
La tercera etapa fue desde finales de los años 20 hasta principios de los 40, y estuvo equipada principalmente con sobrealimentadores en motores de gasolina. La turbocompresión de gases de escape puede aumentar la presión del aire a 1,4-1,6 atmósferas y su aplicación abre una nueva forma de mejorar la potencia y la eficiencia térmica de los motores de gasolina. Sin embargo, su uso verdaderamente generalizado no se generalizó hasta finales de los años cincuenta.
En la cuarta etapa, desde la década de 1950 hasta la actualidad, la tecnología de los motores de gasolina se ha desarrollado hasta su extremo y se han producido importantes cambios en los principios. Su estructura es cada vez más compacta y su velocidad de rotación es cada vez mayor. Su estado técnico es: inyección en cilindro; tecnología de válvulas múltiples; flujo de admisión, combustión estratificada pobre; gestión electrónica integral del motor, como control electrónico del tiempo de encendido, inyección de gasolina y control preciso de la relación aire-combustible según las condiciones de funcionamiento; recirculación, tecnologías de purificación de gases de escape como la catálisis de tres vías. Esto se refleja específicamente en el motor de gasolina de mezcla pobre (GDI) con inyección directa en el cilindro y admisión estratificada que se ha desarrollado y puesto en producción con éxito en los últimos años.
Sin embargo, la aplicación de la tecnología electrónica en los motores desde la década de 1970 ha proporcionado las condiciones para la mejora de la tecnología de los motores de combustión interna, que básicamente ha cumplido con los requisitos de países de todo el mundo en términos de emisiones, ahorro de energía, fiabilidad, comodidad y otros aspectos. El control electrónico de los motores de combustión interna ahora incluye inyección electrónica de combustible, encendido electrónico, control de velocidad de ralentí, control de emisiones, control de admisión de aire, control de impulso, avisos de alerta temprana, autodiagnóstico, protección contra fallas y muchos otros aspectos.
De manera similar, el desarrollo de la tecnología de control electrónico del motor de combustión interna se puede dividir aproximadamente en cuatro etapas:
1. Componentes del motor de combustión interna o sistemas locales controlados independientemente, como las bombas de aceite electrónicas. y dispositivos de encendido electrónico.
2. Control independiente de un único sistema de motor de combustión interna o de varios sistemas relacionados, como el control del sistema de suministro de combustible y el control óptimo de la relación aire-combustible.
3. Control inteligente unificado de todo el motor de combustión interna, como el sistema de control electrónico del motor de combustión interna.
4. Control electrónico centralizado de dispositivos y potencia de motores de combustión interna, como sistemas de control electrónico centralizado de automóviles, barcos y grupos electrógenos.
Los sistemas de control electrónico generalmente constan de tres partes: sensores, actuadores y controladores. Esto forma una variedad de sistemas de control con diferentes funciones y usos. . Su objetivo principal es mantener los valores óptimos de los parámetros operativos del motor para encontrar el mejor equilibrio entre potencia del motor, consumo de combustible y rendimiento de emisiones, y monitorear las condiciones operativas. Por ejemplo, el sistema 3406PEPC de Caterpillar utiliza un sistema de control del motor de programa variable en el motor diésel 3406. Tiene función de regulación electrónica de la velocidad y control electrónico de la relación aire-combustible, de modo que el ángulo de avance de la inyección siempre se mantiene en el valor óptimo. Stanaclyne Company de Estados Unidos cambió su bomba de distribución DB por una bomba de inyección de combustible controlada electrónicamente, llamada sistema PFP, que utiliza un motor paso a paso como actuador para controlar el volumen de inyección y el tiempo de inyección.
Motor diésel: otra estrella de la familia de motores de combustión interna
Los motores diésel y los motores de gasolina se desarrollaron casi al mismo tiempo y tienen muchas similitudes. Por tanto, el desarrollo de los motores diésel tiene muchas similitudes con el de los motores de gasolina. Se puede decir que a lo largo de la historia del desarrollo de los motores de combustión interna se promueven mutuamente.
El Dr. Diesel de Alemania obtuvo la patente técnica para el compresor de encendido por compresión en 1892 y fabricó el primer motor diésel de encendido por compresión en 1897.
La alta relación de compresión de los motores diésel aporta muchos beneficios:
1 no solo puede eliminar la necesidad de carburadores y dispositivos de encendido, mejorar la eficiencia térmica, sino que también puede utilizar combustible. que es mucho más barato que la gasolina como combustible.
2. Debido a su alta relación de compresión, los motores diésel tienen un bajo consumo de combustible en el punto de máxima potencia y potencia unitaria. Entre los excelentes motores modernos, el consumo de combustible de los motores diésel es aproximadamente el 70% del de los motores de gasolina. Especialmente en el caso de los automóviles, que normalmente funcionan con carga parcial, el consumo de combustible es aproximadamente el 60% del de un motor de gasolina. Los motores diésel son actualmente los motores de combustión interna con mayor eficiencia térmica.
3. Los motores diésel son duraderos debido a su alta relación de compresión y su potente motor.
Al mismo tiempo, la alta relación de compresión también trae desventajas:
1. La estructura del motor diésel es pesada.
Normalmente, la masa unitaria de potencia del diésel es aproximadamente de 1,5 a 3 veces mayor que la de los motores de gasolina. La relación de compresión de los motores diésel es alta y la presión de explosión también es alta, que puede alcanzar aproximadamente 1,5 veces la de los motores de gasolina (sin sobrealimentación). Para soportar altas temperaturas y presiones, se requiere una estructura fuerte. Por lo tanto, los motores diésel se utilizaron inicialmente como motores estacionarios.
2. Con la misma cilindrada, la potencia de salida de un motor diésel es aproximadamente 1/3 de la de un motor de gasolina. Dado que el motor diésel inyecta combustible directamente en el cilindro, no puede utilizar completamente el aire y la potencia correspondiente es baja. Suponiendo que la tasa de utilización de aire del motor de gasolina es del 100%, entonces el motor diésel es solo del 80% al 90%. Otra razón de la baja potencia de los motores diésel es que la relación de compresión es alta y la pérdida por fricción del motor es mayor que la de los motores de gasolina. Esta pérdida por fricción es proporcional a la velocidad de rotación y no se espera que aumente la potencia al aumentar la velocidad de rotación. El motor de gasolina de mayor velocidad puede funcionar más de 10.000 veces por minuto (como un motor de carreras), mientras que el motor diésel de mayor velocidad es de sólo 5.000 r/min.
En el siglo pasado, la eficiencia térmica de los motores diésel aumentó casi un 80%, la potencia específica aumentó varias veces y la tasa de utilización del aire alcanzó el 90%. El nivel técnico de los motores diésel actuales es el siguiente: excelente sistema de combustión; inyección con tecnología de 4 válvulas; sobrealimentador e intercooler sobrealimentado; recirculación de gases de escape controlable y catalizador de oxidación de doble resorte para reducir el ruido; gestión, etcétera. Esto se refleja en el motor diésel de nueva generación, que se caracteriza por el uso de un sistema de inyección de combustible common-rail controlado electrónicamente. En la actualidad, la empresa japonesa Nippondeno (ECDU2), la alemana Bosch (ZECCEL) y la estadounidense Caterpilla (HELII) son las principales empresas que investigan y producen sistemas de inyección de combustible controlados electrónicamente para ferrocarriles.
La aplicación de la tecnología de sobrealimentación en los motores diésel fue posterior a la de los motores de gasolina. Ya en la década de 1920, algunas personas propusieron la idea de comprimir el aire para aumentar la densidad del aire aspirado. No fue hasta 1926 que el suizo A.J. Bo Yuxi diseñó por primera vez un motor sobrealimentado con turbocompresor de gases de escape. Debido a las limitaciones de nivel técnico, proceso y materiales de aquel momento, era complicado fabricar un turbocompresor con buenas prestaciones. Además, debido al impacto de la Segunda Guerra Mundial, la investigación y aplicación de la tecnología de sobrealimentación no recibió atención hasta después de la guerra. 1950 La tecnología de sobrealimentación comienza a utilizarse en motores diésel y se ofrece al mercado como producto.
En la década de 1950, el grado de sobrealimentación rondaba el 50% y la presión efectiva media de los motores de cuatro tiempos rondaba los 0,7-0,8 MPa, un nivel técnico relativamente bajo. Durante los siguientes 20 años, la tecnología de sobrealimentación se desarrolló rápidamente y fue ampliamente utilizada.
En la década de 1970, el grado de sobrealimentación alcanzó más del 200%. La presión efectiva promedio de los motores diésel proporcionados oficialmente como productos comerciales alcanzó más de 2,0 MPa para los motores de cuatro tiempos y 1,3 MPa para los de dos tiempos. El intercooling se utilizó ampliamente para hacer que los motores diésel fueran más eficientes. Se ha puesto en práctica una máquina de cuatro tiempos de alta eficiencia (>: 2,0 MPa). La relación de sobrealimentación de una sola etapa es cercana a 5 y se han desarrollado sistemas de sobrealimentación de dos etapas y de sobrealimentación ultraalta. En comparación con el nivel técnico de los motores que recién adoptaron la tecnología de sobrealimentación a principios de la década de 1950, ha habido un desarrollo sorprendente en los últimos 30 años.
En la década de 1980, esta tendencia de desarrollo aún se mantenía. El diseño optimizado de los sistemas de admisión y escape puede mejorar la eficiencia de carga, aprovechar al máximo la energía de los gases de escape y crear un sistema de admisión resonante y un sistema de sobrealimentación MPC. La geometría variable de la turbina permite relaciones de turbocompresor de una sola etapa de 5 o más. Usando un sistema de sobrealimentación ultra alto, la relación de presión puede alcanzar más de 10, mientras que la relación de compresión del motor se puede reducir a menos de 6 y la potencia de salida del motor se puede aumentar entre 2 y 3 veces. Posteriormente se desarrolló un sistema de turbocompresor de dos etapas combinado con una turbina de potencia. Se puede ver que el efecto de la sobrealimentación alta y ultraalta es considerable, elevando el rendimiento del motor a un nivel completamente nuevo.
Motor rotativo de combustión interna
En la historia del desarrollo de las máquinas de vapor, ha experimentado la evolución desde las máquinas de vapor de pistones alternativos hasta las turbinas de vapor. Esto es muy inspirador para el desarrollo de motores de combustión interna. El movimiento del motor de combustión interna alternativo se convierte en la rotación del eje de salida de potencia a través del mecanismo de biela o mecanismo de leva, mecanismo de péndulo y mecanismo de balancín del cigüeñal. Esto no solo complica el mecanismo, sino que también reduce la eficiencia mecánica debida. a la pérdida por fricción del mecanismo giratorio. Además, la fuerza de inercia alternativa del mecanismo de biela del cigüeñal es causada por el movimiento alternativo del grupo de pistones y es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. A medida que aumenta la velocidad de rotación, la carga de inercia sobre el rodamiento aumenta significativamente, lo que produce una fuerte vibración debido al desequilibrio de la fuerza de inercia. Además, los motores alternativos de combustión interna también tienen complejos mecanismos de control de válvulas. Entonces la gente se imaginó: dado que la mayor parte del movimiento de las máquinas herramienta es la rotación del eje, ¿podemos convertir directamente la energía térmica en la rotación del eje a lo largo del camino desde la máquina de vapor de pistón alternativo hasta la turbina de vapor? Entonces la gente empezó a explorar este aspecto.
Turbina de gas
En 1873, Bratton construyó un motor de combustión a presión constante. Este tipo de máquina puede proporcionar la energía generada por la expansión total del gas a la presión atmosférica. A principios del siglo XX, la empresa francesa Bene Armangaud aplicó con éxito el principio del ciclo de Bratton para fabricar turbinas de gas. Sin embargo, debido a las limitaciones de la época, la eficiencia térmica era muy baja y no se pudo desarrollar.
En la década de 1930, las turbinas de gas comenzaron a ponerse en uso práctico debido a los avances en la aerodinámica, los materiales de aleación de alta temperatura y los sistemas de refrigeración.
Aunque una turbina de gas es un motor de combustión interna, no tiene las restricciones de quemarse en un espacio cerrado y dentro de un tiempo limitado como un motor de combustión interna alternativo, por lo que no produce golpes preocupantes como un motor de gasolina, y rara vez está limitado. por pérdida por fricción como un motor diesel. Y el gas producido por la combustión de combustible hace girar directamente el impulsor, por lo que tiene una estructura simple (en comparación con un motor de combustión interna de pistón, sus componentes son solo aproximadamente 1/6), peso liviano, tamaño pequeño, bajo costo operativo, conveniente uso de diversos combustibles y pocas averías. Aunque las turbinas de gas todavía tienen desventajas como una vida corta, un alto costo y graves emisiones contaminantes (principalmente óxidos de nitrógeno), sus aplicaciones todavía se limitan a aviones, barcos, centrales eléctricas y locomotoras. Sin embargo, debido a las ventajas del ciclo Bratton y las restricciones de combustible menos restrictivas de las turbinas de gas, sigue siendo una de las tecnologías energéticas que la gente está comprometida a investigar en el presente y en el futuro. Si se excede la temperatura de entrada de la turbina, la eficiencia térmica mejora considerablemente y se superan otras deficiencias, y se espera que la turbina de gas reemplace los motores de gasolina y diésel.
Motores de pistón rotativo
Se han realizado esfuerzos para construir motores rotativos con el objetivo de evitar las complejidades inherentes de los motores alternativos. Antes de 1910, se propusieron más de 2.000 motores rotativos. A principios del siglo XX, muchas personas propusieron diferentes soluciones, pero la mayoría de ellas no pudieron realizarse debido a estructuras complejas o a la imposibilidad de resolver el problema del sellado de los cilindros. No fue hasta 1954 que el alemán Felix Wankel rompió la tecnología clave del sellado de cilindros después de una investigación a largo plazo, y el motor de pistón giratorio triangular de cilindro giratorio largo y corto se operó con éxito por primera vez. Cada revolución del rotor puede realizar los procesos de entrada de aire, compresión, expansión de combustión y escape, operando según el ciclo Otto. El motor de rotor triangular se utilizó como energía marina en 1962 y como motor de automóvil por la empresa japonesa Toyo Industrial Company en la década de 1980.
El motor rotativo tiene una serie de ventajas:
1. Anula el mecanismo de biela, mecanismo de válvula, etc. y alcanzar alta velocidad.
2. Peso ligero (1/2 ~ 1/3 menos que un motor de combustión interna alternativo), estructura y operación simples (40% menos piezas que un motor de combustión interna alternativo y 50% más pequeño en volumen). que un motor de combustión interna alternativo).
3. También se ha mejorado la contaminación de los gases de escape, como la reducción de la producción de óxido de nitrógeno.
Pero el motor rotativo también tiene graves deficiencias:
1. Esta estructura tiene un rendimiento de sellado deficiente y hasta ahora solo se puede utilizar como motor de gasolina de baja relación de compresión.
2. Debido al bajo par provocado por la alta velocidad, es difícil organizar un proceso de combustión económico.
3. Las máquinas herramienta especiales para procesar cicloides de eje largo y corto tienen problemas de vida corta, baja confiabilidad y estructura compleja.
La tendencia de desarrollo de los motores de combustión interna
La invención del motor de combustión interna tiene una historia de más de 100 años. Si la invención de la máquina de vapor puede considerarse como la primera revolución energética, entonces la llegada del motor de combustión interna es sin duda la segunda revolución energética. Porque no sólo supone un gran salto en la historia de la energía, sino que además su amplia gama de aplicaciones y su gran número no tienen comparación con ninguna otra maquinaria eléctrica actual. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los motores de combustión interna han logrado avances sorprendentes en economía, potencia y confiabilidad, y han hecho enormes contribuciones a la humanidad. La máquina de vapor tardó un siglo desde el principio hasta el final, otro siglo desde su finalización hasta su apogeo y aproximadamente otro siglo desde su finalización hasta su declive. La invención del motor de combustión interna también tardó un siglo. Desde entonces, la humanidad ha avanzado un siglo más. Se puede decir que el motor de combustión interna ha entrado en su apogeo. Hoy, en el cambio de siglo, nos preocupa el futuro del motor de combustión interna. Mientras la gente espera y observa, tiene la esperanza de que el motor de combustión interna sea brillante en el nuevo siglo. Aquí les mostraré las tendencias de desarrollo de los motores de combustión interna en el nuevo siglo.
Tecnología de turbocompresor de motores de combustión interna
A partir de las reglas de desarrollo de parámetros importantes del motor de combustión interna (presión, temperatura, velocidad), se puede encontrar que antes de 1900, estos tres parámetros aumentaron rápidamente. con el paso del tiempo. Pero después de 1900, especialmente después de 1950, el aumento de la temperatura y la velocidad de rotación se desaceleró, mientras que la presión efectiva promedio siguió aumentando linealmente con la edad. La práctica ha demostrado que aumentar la presión efectiva promedio puede mejorar en gran medida la eficiencia y reducir la calidad. La técnica para aumentar la presión media efectiva es aumentar el grado de sobrealimentación. Por ejemplo, la sobrealimentación del motor diésel puede reducir en gran medida el tamaño del tubo de admisión del motor diésel, de modo que el cilindro tenga suficiente eficiencia de carga para aumentar la potencia del motor diésel. Esto no sólo puede aumentar la potencia sino también proporcionar un gran par en un motor. amplio rango de velocidades. Un motor diésel sobrealimentado con intercooler puede duplicar la potencia, pero el coste sólo aumenta entre un 15% y un 30%, es decir, el coste medio por caballo de fuerza se puede reducir en un 40%. Por lo tanto, la sobrealimentación, la sobrealimentación alta y la sobrealimentación ultraalta son una de las direcciones de desarrollo importantes de los motores de combustión interna actuales. Pero éste es sólo un aspecto del problema. Por otro lado, el refuerzo y el superreforzamiento del motor traerán cargas mecánicas y térmicas excesivas a las piezas. En particular, los problemas de carga térmica se han convertido en una limitación para un mayor refuerzo del motor. Además, los compresores de una sola etapa con alta eficiencia y alta relación de impulso también limitan el desarrollo de la tecnología de impulso, por lo que cuanto mayor sea el grado de impulso, mejor.
Tecnología de control electrónico del motor de combustión interna
La tecnología de control electrónico del motor de combustión interna se produjo a finales de los años 1960, se desarrolló en los años 1970 y maduró en los años 1980. Con el mayor desarrollo de la tecnología electrónica, la tecnología de control electrónico de los motores de combustión interna asumirá tareas más importantes, con una superficie de control más amplia, mayor precisión de control y mayor nivel de inteligencia.
El control de los motores de combustión interna, como el control de los cambios de volumen y forma de la cámara de combustión, el control de los cambios de la relación de compresión y el control de la detección del desgaste mecánico en condiciones de trabajo, se convertirá en una realidad y será ampliamente utilizado. El control electrónico de los motores de combustión interna está evolucionando desde el control individual hasta el control centralizado integral, y desde el control de baja eficiencia y baja precisión hasta el control de alta eficiencia y alta precisión. A medida que la humanidad entre en la era electrónica, el motor de combustión interna del siglo XXI también entrará en la "era electrónica del motor de combustión interna" y su desarrollo se adaptará al rápido desarrollo de la tecnología electrónica. La tecnología de control electrónico de los motores de combustión interna es el principal apoyo técnico para que los motores de combustión interna se adapten a las necesidades del desarrollo social, y también es un factor de influencia importante para que los motores de combustión interna mantengan su gloria en el siglo XXI.
Tecnología de materiales para motores de combustión interna
Los materiales tradicionales utilizados en los motores de combustión interna son el acero, el hierro fundido, los metales no ferrosos y sus aleaciones. En el proceso de desarrollo de los motores de combustión interna, la gente sigue planteando mayores requisitos para su economía, potencia y emisiones, por lo que los requisitos para los materiales de los motores de combustión interna también han aumentado en consecuencia. De acuerdo con los objetivos de desarrollo futuro de los motores de combustión interna, los requisitos para los materiales de los motores de combustión interna se centran principalmente en el aislamiento térmico, la resistencia al calor, la resistencia al desgaste, la reducción de la fricción, la resistencia a la corrosión, la pequeña expansión térmica y el peso ligero. Para promover el desarrollo de materiales para motores de combustión interna, además de los métodos convencionales de cambiar la composición química y el contenido de los materiales para lograr las propiedades físicas y mecánicas requeridas por las piezas, también se puede utilizar tecnología de fortalecimiento de superficies para hacer que los materiales cumplan los requisitos requeridos. Sin embargo, el desarrollo de materiales para motores de combustión interna nos exige desarrollar nuevos materiales adecuados para diferentes condiciones de trabajo. En comparación con los materiales tradicionales para motores de combustión interna, los materiales cerámicos tienen propiedades de aislamiento térmico y resistencia al calor incomparables, mientras que los materiales cerámicos y los plásticos de ingeniería (como los plásticos reforzados con fibra) tienen una reducción de la fricción, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión superiores, con una gravedad específica similar. Las aleaciones de aluminio son comparables pero mucho más ligeras que el acero y el hierro fundido. Por lo tanto, los materiales cerámicos (cerámicas de alto rendimiento) se pueden utilizar en muchas piezas de motores de combustión interna, como piezas de inyección y encendido de combustible, cámaras de combustión, coronas de pistones, etc. Si se pueden superar las debilidades de la fragilidad y el costo, se utilizará ampliamente en el nuevo siglo. Los plásticos de ingeniería también se pueden utilizar en muchas piezas de motores de combustión interna, como diversas cubiertas, faldones de pistón, engranajes de distribución, varillas de empuje, etc. A medida que la tecnología mejore y los precios bajen, los plásticos de ingeniería se utilizarán cada vez más en los motores de combustión interna en el futuro. Combinando varios materiales de los motores de combustión interna, con el fin de maximizar sus fortalezas y evitar debilidades, se han desarrollado diversos materiales compuestos a base de metal, plástico o cerámica a partir de nuevos materiales, y gradualmente se promueven para su uso en motores de combustión interna.
De cara al nuevo siglo, el acero, el hierro fundido, los metales no ferrosos y sus aleaciones seguirán siendo los principales materiales para los futuros motores de combustión interna. Varios procesos de fortalecimiento de superficies serán más avanzados y utilizados más ampliamente. Dentro de 10 años, varios tipos de materiales compuestos, principalmente metales, plásticos y cerámicas, entrarán en un período de promoción asombrosamente rápida, y también se acelerará el uso de nuevos materiales en los motores de combustión interna.
Tecnología de fabricación de motores de combustión interna
El nivel de desarrollo de los motores de combustión interna depende del nivel de desarrollo de sus componentes, y el nivel de desarrollo de los componentes del motor de combustión interna está determinado por factores como tecnología de fabricación. En otras palabras, el nivel de tecnología de fabricación de las piezas del motor de combustión interna tiene un impacto decisivo en el rendimiento, la vida útil y la fiabilidad del motor principal. Asimismo, la relación entre tecnología de fabricación y equipamiento es inseparable. Siempre que se desarrolle con éxito una nueva generación de equipos o materiales de proceso, se producirán avances en la innovación de la tecnología de fabricación. Después de entrar en el nuevo siglo, el desarrollo de la ciencia y la tecnología será extremadamente rápido y el ciclo de desarrollo de nuevos equipos será cada vez más corto. Por lo tanto, la tecnología de fabricación de motores de combustión interna se desarrollará rápidamente en el nuevo siglo.
Debido al avance de la tecnología de fundición, el moldeo por impacto de aire, el moldeo por presión estática, el moldeo en arena autoendurecible de resina y la fundición de espuma perdida, las partes principales de las piezas fundidas de motores de combustión interna, como el cuerpo y la culata, pueden ser fabricados en complejas superficies curvas y cajas estructurales de paredes delgadas. Esto no sólo mejora enormemente la rigidez de la carrocería del motor, reduce la radiación acústica, sino que también hace que el motor de combustión interna sea más ligero. Debido al avance de las tecnologías locales de fortalecimiento de superficies, como la pulverización, la refundición, la sinterización, el revestimiento de superficies, el procesamiento electroquímico y el procesamiento láser, las funciones de los materiales se han utilizado plenamente debido a la mejora de los niveles de los equipos, y la tecnología de procesamiento y fabricación está avanzando; alta precisión, alta eficiencia y automatización El desarrollo en esta dirección ha llevado la producción de piezas de motores de combustión interna a una dirección altamente centralizada. Por otro lado, la promoción de tecnologías de fabricación flexibles hace que la sustitución de productos de motores de combustión interna sea más flexible y adaptable. El sistema de fabricación flexible para la producción de variedades múltiples y de lotes pequeños ha sido ampliamente reconocido por los fabricantes de motores de combustión interna y también se ha adaptado al desarrollo de la tecnología de producción y a los cambios en la situación del mercado. La aplicación de tecnología electrónica y computadoras en el diseño, fabricación, pruebas, inspección y control de procesos ha promovido el progreso tecnológico de la industria y ha mejorado la calidad de los productos de los motores de combustión interna. El desarrollo de nuevos materiales también ha promovido cambios en la tecnología de producción de piezas de motores de combustión interna, especialmente la aplicación de plásticos de ingeniería, materiales cerámicos y materiales compuestos en motores de combustión interna, lo que ha promovido fuertemente el desarrollo de la tecnología de fabricación de motores de combustión interna. Con el desarrollo de la tecnología de control electrónico de motores de combustión interna, los tres componentes principales del sistema de control electrónico (sensores, actuadores y unidades de control) se convertirán en una rama importante de la industria de piezas de motores de combustión interna. Al mismo tiempo, también plantea nuevas. temas a la industria tradicional de fabricación de motores de combustión interna.
De esto podemos inferir que en el siglo XXI, la tecnología de fabricación de motores de combustión interna se desarrollará rápidamente en términos de alta precisión y diversificación. Su velocidad y dirección de desarrollo no solo están relacionadas con la calidad de los motores de combustión interna, sino que también tienen un gran impacto directo en el futuro de los motores de combustión interna. En cuanto al progreso tecnológico de sus productos, los motores de combustión interna de los automóviles son los que se han desarrollado más rápidamente, seguidos por las locomotoras, los barcos, los grupos electrógenos, la maquinaria de ingeniería y la maquinaria agrícola.
Combustibles alternativos para motores de combustión interna
Debido a la crisis mundial del petróleo y a la cada vez más grave contaminación del medio ambiente por los gases de escape de los motores, la investigación sobre la tecnología de los motores de combustión interna se ha volcado hacia el desarrollo y utilización de combustibles alternativos eficientes, limpios y que ahorren energía.
La modificación o rediseño de motores de gasolina y diésel y el desarrollo de motores de gas alimentados con gas natural, gas licuado de petróleo e hidrógeno son uno de los focos de la tecnología actual y futura de los motores de combustión interna. Entre ellos, los más importantes son la tecnología de recuperación de energía de los motores de gas y el control de la combustión de los motores de hidrógeno.
Resumen
Con el desarrollo continuo de los motores de combustión interna en aplicación, varios motores de combustión interna compiten entre sí, se penetran entre sí y se integran entre sí, evolucionando así varios híbridos nuevos. motores. Por ejemplo, la invención y el desarrollo de turbinas de gas compiten con los motores diésel, por un lado, y complementan los motores diésel, por el otro, mejorando la turbocompresión de los gases de escape de los motores diésel, mejorando así la competitividad de los motores diésel. Las turbinas de gas eran originalmente competidoras de las turbinas de vapor, pero la gente combinó turbinas de gas y turbinas de vapor, dos motores térmicos que funcionan en diferentes ciclos termodinámicos, para formar un nuevo ciclo de alta eficiencia: el ciclo combinado de turbinas de gas y vapor. La segunda ley de la termodinámica nos dice que para mejorar la eficiencia térmica, la temperatura de calentamiento del motor térmico debe aumentarse tanto como sea posible y la temperatura de liberación de calor debe reducirse. La temperatura de escape de calor de una máquina de vapor es baja (alrededor de 300 K), pero debido a las limitaciones de las características del vapor y las condiciones del equipo, su temperatura de calentamiento no puede ser demasiado alta. Actualmente es estable por debajo de 800 ~ 900 K. Con el desarrollo de la metalurgia y la industria. Tecnología de refrigeración, calentamiento de turbinas de gas. La temperatura sigue aumentando y actualmente alcanza unos 1300 ~ 1500 K. Sin embargo, la temperatura de eliminación de calor no puede ser demasiado baja, generalmente entre 700 y 800 K, o incluso más. Por tanto, la eficiencia térmica real de ambos motores térmicos no supera el 40%. En el ciclo combinado de gas y vapor, el gas de escape de la turbina de gas se envía a la caldera de calor residual para generar vapor para uso de la turbina de vapor. El ciclo combinado puede lograr la doble ventaja de una alta temperatura de suministro de calor de la turbina de gas y una baja temperatura de escape de calor de la turbina de vapor. En la actualidad, la eficiencia térmica máxima de esta unidad de ciclo combinado ha alcanzado más del 47%. Si se utiliza como unidad de energía térmica, su tasa de utilización de combustible puede alcanzar aproximadamente el 80%.
Cada vez está más extendido el significado de potencia híbrida, como un motor eléctrico más un motor de gasolina o un motor diésel, para aprovechar sus respectivas ventajas y blindar sus respectivas carencias. Sin embargo, Nissan Motor Co., Ltd. colocó un generador de alto rendimiento y un motor eléctrico en la posición del volante del motor diésel y desarrolló con éxito un verdadero motor híbrido, un motor primario (motor HIMR) en el que ambos principios funcionan simultáneamente. Los motores híbridos son uno de los puntos calientes de la tecnología energética del futuro y se espera que se conviertan en máquinas capaces de mantener un entorno hermoso sin comprometer las comodidades que los humanos ya han obtenido.
La historia del desarrollo de los motores de combustión interna muestra que las nuevas tecnologías con ventajas esenciales son cosas nuevas con vitalidad y tendrán amplias perspectivas de desarrollo. La eficiencia térmica del primer motor de combustión interna práctico fue solo del 4%, mientras que la eficiencia térmica de las máquinas de vapor alcanzó entre el 8% y el 10%. Pero la superioridad inherente del motor de combustión interna determina que pronto superará a la máquina de vapor.
En resumen, el motor de combustión interna del siglo XXI afrontará desafíos en todos los aspectos: avanzará hacia el ahorro de energía, la diversificación del combustible, la mejora de la potencia, la ampliación de la vida útil, la mejora de la fiabilidad, la reducción de las emisiones y del ruido. y reducido Se están produciendo rápidos avances en la dirección de la calidad, la reducción del volumen, la reducción de costes y la simplificación del mantenimiento. En el siglo XXI, los combustibles alternativos como el gas natural, el alcohol, el aceite vegetal y el hidrógeno agregarán nueva vitalidad al motor de combustión interna, y la tecnología de control electrónico del motor de combustión interna no solo puede mejorar la calidad, sino también ampliar la vida útil. "vida" de la industria de los motores de combustión interna. La revolución tecnológica de nuevos materiales y nuevos procesos ha dado un nuevo impulso al desarrollo de los motores de combustión interna en el siglo XXI. El motor de combustión interna del siglo XXI beneficiará a la humanidad, al tiempo que compensará sus propias deficiencias y hará nuevas contribuciones a la humanidad con la imagen más perfecta posible.