Кпд современных двс


КПД бензинового и дизельного двигателя

КПД двигателя – что это такое

КПД двигателя внутреннего сгорания означает значение соотношение двух величин: мощность, подающаяся в процессе функционирования мотора на коленчатый вал к мощности, которая получается поршнем посредством давления газов, образовавшихся при воспламенении топлива. Проще говоря, это преобразование тепловой или термической энергии, которая образуется при сгорании топливной смеси (бензин и воздух) в механическую.

На эффективность КПД двигателя влияют совокупность различных механических потерь, возникающих на разных стадиях функционирования, а также движение отдельных деталей двигателя, вызывающих трение. Эти детали вызывают наибольшие потери, составляющие примерно 70 % от их общего количества. К ним частям относятся поршни, поршневые кольца, подшипники. Помимо этого, потери возникают от функционирования таких механизмов, как магнето, насосы и пр., которые могут достигать до 20%. Наименьшую часть потерь составляют сопротивления, возникающие в процессе впуска/выпуска в топливной системе.

Сравнение КПД двигателей – бензин и дизель

Если сравнить КПД дизельного и бензинового моторов – эффективнее из них, конечно, дизель, причина в следующем:

  1. Бензиновый агрегат преобразует лишь 25 % энергии в механическую, в то же время дизельный до 40%.
  2. Дизельный двигатель, оснащенный турбонаддувом, достигнет 50-53% КПД, а это уже существенно.

Так в чем заключается эффективность дизельного мотора? Все очень просто – не смотря на практически идентичный тип работы (оба мотора являются ДВС) дизель функционирует намного эффективнее. Топливо у него воспламеняется совсем по другому принципу, а также у него большее сжатие. Дизель меньше нагревается, соответственно, происходит экономия на охлаждении, так же у него меньше клапанов (значительная экономия на трении). Кроме этого, у такого агрегата нет свечей, катушек, а значит, нет и энергетических затрат от генератора. Функционирует дизельный двигатель с меньшими оборотами (коленвал не приходится раскручивать). Все это его делает чемпионом по КПД.

КПД дизельного двигателя – заметная эффективность

Показатель КПД для разных двигателей отличается и зависит от некоторых факторов. Бензиновые агрегаты имеют относительно низкий КПД, поскольку для них характерно большое количество тепловых и механических потерь, образующихся в процессе функционирования силовой установки данного типа.

Второй фактор – трение, возникающее в результате взаимодействия сопряженных деталей. Дополнительные потери вызваны работой других систем, механизмов и навесного оборудования и т.д.

Если сравнить дизельный мотор и бензиновый, то КПД дизеля значительно превышает КПД бензиновой установки. Бензиновые моторы имеют КПД в пределах 25% от количества полученной энергии. Иными словами, из потраченных в процессе функционирования мотора двигателя 10 л бензина только 3 л израсходованы на выполнение полезной для системы работы. Остальная часть энергии, образовавшаяся от сгорания бензина, разошлась на различные потери.

Что касается КПД дизельного агрегата атмосферного, то этот показатель достаточно высокий и составляет до 40%. Установка современного турбокомпрессора позволяет эту отметку увеличить до внушительных 50%. Современные системы топливного впрыска, установленные на дизельных ДВС, в совокупности с турбиной позволяют добиться КПД даже 55%.

Такая существенная разница в производительности конструктивно похожих дизельных и бензиновых ДВС обусловлена рядом факторов, к ним относятся:

  • Вид топлива.
  • Способ образования топливно-воздушной смеси.
  • Реализация воспламенения заряда.

Агрегаты, работающие на бензине, более оборотистые, чем дизельные, но имеют более существенные потери, которые вызваны расходом энергии на тепло. Соответственно, полезная энергия бензина менее эффективно преобразуется в полноценную механическую работу, в то же время большая доля рассеивается системой охлаждения.

Мощность и крутящий момент

Когда показатели рабочего объема одинаковые, мощность атмосферного бензинового двигателя выше, но достигается только при более высоких оборотах. Агрегат нужно сильнее «крутить», при этом потери возрастают, соответственно увеличивается расход топлива. Кроме этого, стоит упомянуть крутящий момент, под воздействием которого повышается сила, которая передается от двигателя на колеса и способствует движению автомобиля. Бензиновые двигатели выходят на максимальный уровень крутящего момента лишь высоких оборотах.

Атмосферный дизель с такими же параметрами достигает пика крутящего момента лишь при низких оборотах. Это способствует меньшему расходу топлива, необходимого для выполнения работы, в результате чего, КПД более высокий и топливо расходуется экономнее.

В равнении с бензином, дизельное топливо образует больше тепла, так как температура сгорания дизтоплива значительно выше, что способствует более высокой детонационной стойкости. Получается, у дизельного мотора полезная работа, произведенная на конкретном количестве топлива гораздо больше.

Энергетическая ценность солярки и бензина

В состав солярки входит больше тяжелых углеводородов, нежели в бензин. Меньший КПД такого мотора сравнительно с дизельным агрегатом обусловлен энергетической составляющей бензина и способом его сгорания. При сгорании равного количества бензина и солярки большее количество тепла характерно для бензина. Тепло в дизельном агрегате более полноценно преобразуется в механическую энергию. Соответственно, при сжигании равного количества топлива за определенное количество времени именно дизельный мотор выполнит больше работы.

Помимо этого, нужно учитывать особенности впрыска и условия, способствующие качественному сгоранию смеси. В дизельный агрегат топливо поступает отдельно от воздуха и впрыскивается напрямую цилиндр в конце сжатия, минуя впускной коллектор. Результатом этого процесса становится температура, более высокая, чем у бензинового мотора и максимальное сгорание топливно-воздушной смеси.

Подробнее о потерях

Если сравнивать бензиновый и дизельный и ДВС, можно сказать что КПД бензинового мотора находится на более низком уровне – в пределах 20-25 %. Это обусловлено рядом причин. Если, к примеру, взять поступающее в ДВС топливо и «перевести» его в проценты, то получится как бы «100% энергии», которая передается мотору, а дальше, потери КПД:

  1. Топливная эффективность. Далеко не все потребляемое топливо сгорает, его большая часть уходит с отработанными газами. Потери на этом уровне составляют до 25% КПД. Сегодня, конечно, топливные системы усовершенствуются, появился инжектор, но и это не решает проблему на 100%.
  2. Второе – это тепловые потери. Часть тепла уходит из ДВС с выхлопными газами, кроме этого, мотор прогревает себя и ряд других элементов: свой корпус, жидкость в ДВС, радиатор. На все это приходится еще в пределах 35%.
  3. Третье, на что расходуется КПД – это механические потери. К ним относятся составляющие силового агрегата, где есть трение: шатуны, кольца, всякого рода поршни и т.д. Также сюда можно отнести потери, обусловленные нагрузкой от генератора, к примеру, чем больше электричества он вырабатывает, тем сильнее он притормаживает вращение коленвала. Конечно, различные смазки для ДВС играют свою роль, но все-таки полностью проблему трения они не решают, а это еще дополнительные потери до 20 % КПД.

Таким образом, в остатке КПД не более 20%. Сегодня существует бензиновые варианты, у которых показатель КПД несколько увеличен – до 25%, но, к сожалению, их не так много. К примеру, если автомобиль расходует 10 л топлива на 100 км, то всего лишь 2 л уйдут на работу двигателя, а все остальные – это потери.

Конечно, есть вариант увеличить мощность за счет расточки головки, но к нему прибегают довольно редко, поскольку это вносит определенные изменения в конструкцию ДВС.

Конструкторы постоянно стремятся увеличить КПД как бензинового, так и дизельного агрегатов. Увеличение количества выпускных/впускных клапанов, управление топливным впрыском (электронное), дроссельная заслонка, активное использование систем изменения фаз газораспределения и другие эффективные решения позволяют значительно повысить КПД. Конечно, в большей степени это относится к дизельным установкам.

С помощью таких усовершенствований современный дизель способен практически полностью сжечь дизтопливо в цилиндре, выдав максимальный показатель крутящего момента. Именно низкие обороты означают незначительные потери во время трения и возникающее в результате этого сопротивление. По этой причине дизельный двигатель является одним из производительных и экономичных, КПД которого довольно часто превышает отметку в 50%.

Инженеры Тойоты приблизили КПД бензиновых моторов к дизелям — ДРАЙВ

Японцы обещают поставить новые двигатели на целый ряд легковушек, которые подошли к смене поколений либо плановому обновлению. Со временем это семейство моторов охватит 30% моделей концерна. В частности, они будут использоваться на автомобилях, основанных на архитектуре TNGA.

Компания Toyota планирует до конца 2015 года вывести в свет четырнадцать двигателей из новой серии. Пока она представила пару новинок: агрегаты 1.3 (на фото под заголовком) и 1.0. В них нашли применение несколько разработок, позволивших поднять расчётный термический КПД до 38 и 37% соответственно. Причём первое число инженеры считают практически рекордным для массовых бензиновых двигателей. Оно сопоставимо с тепловой эффективностью легковых дизелей, которые показывают более 40%. Новые ДВС используют цикл Аткинсона (точнее Миллера, это его разновидность). Обычно его применяют в гибридах, но эти моторы рассчитаны на самостоятельную работу.

В цикле Аткинсона впускные клапаны закрываются позже обычного. Так фактическая степень сжатия смеси оказывается ниже, чем геометрическая. А вот расширение происходит полное. В результате удаётся лучше использовать энергию горячих газов и выбрасывать меньше полезного тепла в выхлопную трубу. Правда, для корректной работы такого цикла на разных нагрузках и оборотах не обойтись без фазовращателей.

Степень сжатия у нового мотора с объёмом 1,3 литра весьма высока — 13,5:1. Почти столько же в маздовских агрегатах Skyactiv-G (14:1). Чтобы побороть детонацию, конструкторы пошли на несколько ухищрений. Например, рубашка охлаждения модифицирована таким образом, чтобы существенно снизить температуру стенок цилиндра в самом проблемном мест

Каков КПД у двигателя внутреннего сгорания

Наверняка, многие автолюбители задавались вопросом о том, насколько мощность двигателя внутреннего сгорания соответствует полезности. Предполагается, что чем у силовой системы показатель КПД выше, тем она эффективнее. Если говорить абсолютными категориями, то на сегодняшний день самый высокий коэффициент у электрических двигателей, в некоторых моделях он достигает порядка 95 процентов. Что же до двигателей внутреннего сгорания, то  у большинства из них, вне зависимости от типа топлива этот показатель весьма далёк от идеальных цифр.

 

 

КПД двигателя внутреннего сгорания

 

Конечно, современные двигатели гораздо эффективнее тех, что были разработаны и выпущены лет десять назад, обусловлено это объективными причинами развития технологий. В начале нулевых мотор объёмом в полтора литра выдавал в среднем около семидесяти лошадиных сил, и это было нормальным. Сегодня количество голов в табуне такого же объёма может достигать более 150. Каждый шажочек в плане увеличения КРД двигателя даётся производителям кропотливым трудом и перебором проб, ошибок и удач.

 

Где теряется эффективность

 

Забегая вперёд можно констатировать, что для бензиновых двигателей КПД равен примерно 25 процентам. Почему так мало, и чем обусловлены такие цифры? Причины здесь в потерях: если взять некое количество топлива, и обозначить его ста процентами чистой энергии, передающейся мотору, то можно проследить все потери.

 

  • Для начала следует разобрать топливную эффективность. Все мы в курсе, что топливо сгорает не полностью, и некоторая его часть просто выходит в виде отработанных газов и вместе с ними. А это уже потеря примерно четверти эффективности, то есть – минус 25%. Даже инжектор и другие современные системы не решают этого вопроса, хоть и стали очень эффективными.
  • Далее идут тепловые потери. Мотор греет себя, воздух, другие элементы и узлы, к примеру, радиатор, охлаждающую жидкость, свой корпус, а также выхлоп. В этом месте эффективность теряет ещё около 35%.
  • Немало процентов забирают механические потери. Это поршни, шестерни, кольца, подшипники и прочие элементы и узлы, где присутствует трение. Сюда же относим и нагрузки генератора, который при выработке электроэнергии заметно тормозит коленвал. Несмотря на то, что смазочные материалы стали гораздо эффективнее, вынь да положь ещё двадцать процентов потерь.

 

И что у нас остаётся в остатке? А всего 20%! Понятно, что это средний показатель, и бензиновые двигатели бывают более эффективными, но насколько – может ещё пять-семь процентов, не больше. Да и двигателей таких совсем немного. Итого из залитых десяти литров топлива, что автомобиль съедает на сто километров пробега, на полезную работу уходить всего два с половиной литра, а остальные семь-восемь литров попросту уходят в потери.

 

Лучшие двигатели внутреннего сгорания эффективны на 25%

 

Дизель или бензин

 

А что в этом плане показывают дизельные агрегаты, и эффективнее ли они бензиновых собратьев? Если не лезть в самые гущи технических джунглей, то коротко можно констатировать, что в плане КПД дизельные двигатели будут эффективнее бензиновых. Если бензиновый агрегат преобразовывает всего 25 % топливной энергии в энергию механическую, то показатели дизельных моторов достигают 40%. А если дизель оснастить качественной турбиной, то КПД может достигать и пятидесяти процентов.

 

Подошла ли эволюция двигателей внутреннего сгорания к своему пику? Возможно. Поэтому сейчас всё больше автопроизводителей обращают внимание на электрическую тягу. Осталось лишь разработать эффективные батареи, не боящиеся мороза, и долго держащие заряд.

 

КПД электрического двигателя двигателя

Другие записи по теме:

Что такое коэффициент полезного действия двигателя

Порядка 20% тратится на механические потери или, проще говоря, потери на трение внутренних частей двигателя, а также на привод дополнительного навесного оборудования, к которому относится генератор, кондиционер, помпа системы охлаждения и другие агрегаты. Как видите, причина весьма низкого КПД бензиновых агрегатов кроется в больших тепловых и механических потерях, возникающих в процессе работе установок данного типа.

Интересно, что снижение последних в ряде случаев привело к снижению надежности ДВС и эта тенденция особенно заметна в моторах последних поколений. Такие компоненты как поршни, шейки коленвалов и звенья цепей газораспределительного механизма стали компактнее, миниатюрнее. А более жидкие масла при сниженном давлении должны снизить потери на трение в подшипниках и энергетические затраты на смазку.

Потери дизельного двигателя

Противники моторов на "тяжелом топливе", не жалующие их за вибрации, шумность, особенности моментной характеристики (солидный крутящий момент доступен на низких и средних оборотах, но при этом дизели "крутятся" довольно неохотно) и, самое главное, за риск столкнуться с невозможностью запуска зимой из-за замерзшей солярки, наверняка удивятся, узнав о двукратном превосходстве в коэффициенте полезного действия перед бензиновой когортой. Объяснение этому явлению кроется в другом принципе формирования топливно-воздушной смеси и том, как именно происходит ее воспламенение.

КПД двигателя- Отличия бензинового и дизельного двигателя Motoran

Известно, что эффективность работы автомобильного двигателя внутреннего сгорания находится в прямой зависимости от величины коэффициента полезного действия. КПД двигателя выражается в виде соотношения мощностей, передаваемых на коленвал и поршни. Современные ДВС отличаются наибольшей эффективность, в сравнении с устаревшими аналогами. Например, мотор объемом 1,6 л., раньше развивал мощность не более 70 лошадиных сил, а теперь этот параметр часто достигает 150 л. с.

КПД парового двигателя

Для приведения в действие силового агрегата необходимо преобразовать тепловую энергию, появляющуюся при сжигании топливовоздушной смеси, в механическую. Раньше применялись паровые двигатели, в которых сгорало твердое топливо (уголь, дрова), поршни приходили в движение под воздействием расширяющегося пара. Размеры таких силовых установок были в несколько раз больше по габаритам, чем современные двигатели, работающие на топливе другого вида.

В паровых машинах поршневого типа КПД не превышает значения 10%. В настоящее время такие устройства почти не применяются, т. к. считается, что не существует кардинальных способов увеличить их коэффициент полезного действия.

С целью увеличения данного показателя, применяют источники тепла, обладающие наименьшей стоимостью. Например, на больших ТЭЦ используется атомная энергия. Вдобавок, применяются современные технологии, при которых отработанное тепло не уходит бесполезно в атмосферу, а используется для отопительных систем в многоквартирных домах. Потери здесь составляют не больше 10 процентов. Современные паровые турбины обладают коэффициентом КПД, равным 50 – 60%.

Интересно: В развитых странах Европы (Швейцарии, Австрии) большой популярностью пользуются паровозы. Их используют в качестве туристического транспорта для перевозки пассажиров по горным дорогам. Благодаря многочисленным усовершенствованиям, экономические показатели паровозов часто соперничают как с электровозами, так и тепловозами.

Чем отличаются КПД бензинового и дизельного двигателя

В отличие от паровых механизмов, топливом для двигателей внутреннего сгорания служит бензин или солярка. Двигатели внутреннего сгорания бензиновый и дизельный имеют схожие конструкции. Однако образование топливовоздушных смесей у них происходит по-разному.

В карбюраторном агрегате элементы поршневой группы функционируют при сверхвысоких температурах. Соответственно, они нуждаются в более качественном охлаждении. При этом наблюдается большой расход тепловой энергии. Вследствие неэффективного рассеивания тепла в окружающей среде, понижается коэффициент полезного действия бензинового силового агрегата.

  • КПД бензинового двигателя равняется 25-30 %;
  • дизельного – 40 %;
  • с установкой турбонаддува достигает 50 процентов соответственно.

Роторно-поршневые тепловые двигатели обладают высоким КПД, его значение превышает 40%. Это намного выше бензиновых аналогов, но немного отстает от дизельных моторов.

Турбореактивные самолетные двигатели работают совершенно по другому принципу, который существенно отличается от автомобильных ДВС. Благодаря сравнительно высокому КПД, они пользуются большой популярностью в авиастроении. Чаще всего турбореактивные агрегаты устанавливаются на крупных лайнерах большой грузоподъемности.

Как написано в учебниках физики, чтобы найти КПД двигателя, нужно разделить значение выполненной работы на величину затраченной энергии. При расчете коэффициента полезного действия ДВС полезная работа делится на количество тепла, полученного при сгорании топлива.

Основные потери КПД в двигателях внутреннего сгорания происходят при:

  1. Неполном сгорании топлива в цилиндрах.
  2. Расходе тепла.
  3. Механических потерях.

При неполном сгорании эффективность снижается за счет выхода четвертой части объема топлива с отработавшими газами. Здесь потери КПД двигателя составляют почти 25%. Благодаря появлению инжекторов, работа топливных систем становится более эффективной, но не идеальной.

Часть тепловой энергии уходит на прогрев корпусных деталей двигателя, рабочих узлов, моторного масла, радиатора и пр. Тепло также уходит с выхлопными газами. На данном этапе потери КПД составляют не меньше 35 процентов.

Несмотря на смазывание трущихся поверхностей, энергия расходуется на преодоление сил трения. Это происходит при сопряжении таких элементов, как шатуны, цилиндры, поршни, маслосъемные, компрессионные кольца и т. д. При вырабатывании электричества генератор тоже отбирает немалую долю энергии двигателя. В результате механических потерь, КПД ДВС снижается еще на 20%.

КПД двигателя рассчитывается по специальным формулам, в которых участвуют показатели работы, энергии и потерь.

Интересно: Существуют некоторые методы повышения КПД бензиновых двигателей внутреннего сгорания:

  1. Цилиндры оснащаются двумя впускными, а также двумя выпускными клапанами, вместо привычных конструкций в одном экземпляре.
  2. Свечи зажигания комплектуются отдельными катушками зажигания.
  3. Вместо обыкновенного тросика управления дроссельной заслонкой, используется электрический привод.

От чего зависит КПД дизельного двигателя

Если сравнивать эффективность бензинового и дизельного моторов, выяснится, что второй обладает лучшими показателями:

  • замечено, что, бензиновые двигатели преобразуют только одну четвертую часть использованной энергии в механическую работу;
  • в то время, как дизельные – 40% соответственно;
  • при установке турбонаддува в дизеле, КПД газотурбинного двигателя возрастает до 50 и более процентов.

Конструкция и принцип работы дизелей способствуют наибольшей эффективности в сравнении с карбюраторными двигателями. Причины лучшего КПД дизельного двигателя:

  1. Более высокий показатель степени сжатия.
  2. Воспламенение топлива происходит по другому принципу.
  3. Корпусные детали нагреваются меньше.
  4. Благодаря меньшему количеству клапанов, снижены расходы энергии на преодоление сил трения.
  5. В конструкции дизеля отсутствуют привычные свечи, катушки зажигания, на которые требуется дополнительная энергия от электрогенератора.
  6. Коленчатый вал дизеля раскручивается с меньшими оборотами.

В сравнении с дизелями, электрические двигатели считаются более эффективными. Двигатель с самым большим КПД – это электрический. При создании более долговечных аккумуляторных батарей, которым не страшны морозы, автомобильная промышленность постепенно перейдет на выпуск электромобилей в больших количествах.

КПД реактивного двигателя

Воздушно-реактивный тепловой мотор работает на химической энергии топливного состава. Его мощность расходуется на создание кинетической энергии ракеты и преодоление атмосферного сопротивления. Коэффициент полезного действия таких агрегатов минимальный, по своему значению он является самым маленьким, его значение не превышает даже 1%. Здесь более корректно обсуждать КПД не двигателя, а ракетного топлива, а также, насколько эффективно оно используется.

Резюме

При производстве современных двигателей внутреннего сгорания заводы-изготовители вкладывают большие средства в погоне за повышением КПД своей продукции хотя бы на несколько процентов. С этой целью, инженеры усовершенствуют и усложняют конструкции моторов, используют новые материалы для изготовления отдельных элементов.

Иногда случается, что финансовые затраты разработчиков нецелесообразны, в сравнении с полученным результатом в 2 – 3%. Поэтому бывает выгоднее подвергать стандартные двигатели различным форсированиям, доводкам, доработкам при помощи тюнинговых усовершенствований в небольших ремонтных мастерских. В результате чего увеличивается мощность и прочие тяговые характеристики силовых агрегатов.

КПД двигателя внутреннего сгорания:3 фактора, влияющих на мощность

Содержание статьи

Вопрос о том, насколько мощность соответствует КПД двигателя внутреннего сгорания, интересует практически каждого автолюбителя. В идеале чем выше КПД, тем эффективнее должна быть силовая система. Если же переходить от теории к практике, КПД в районе 95 % наблюдается только у электрических двигателей. Если рассматривать двигатели внутреннего сгорания вне зависимости от типа используемого топлива, то об идеальных цифрах можно только рассуждать.

Разумеется, эффективность современных двигателей существенно повысилась, если сравнивать с моделями, которые были выпущены всего 10 лет назад. Выпускаемые в начале 2000 годов 1,5-литровые моторы были рассчитаны на 70 лошадиных сил, к данному параметру претензий не было. Сегодня же при аналогичном объёме речь идет о 150 лошадиных силах и более.

Производители теряют много времени, сил и ресурсов, чтобы медленно, но уверенно продвигаться в сторону увеличения КПД.

Понятие «КПД двигателя»

Изначально рассмотрим, что такое КПД и как данное понятие рассматривать в аспекте автомобильного двигателя. Коэффициент полезного действия представлен показателем, с помощью которого отображается эффективность конкретного механизма относительно превращения полученной энергии в полезную работу. Показатель отображается в процентном соотношении.

В случае с двигателем внутреннего сгорания речь идет о преобразовании тепловой энергии, которая является продуктом сгорания топлива в цилиндрах мотора. КПД в данном случае отображает фактически реализуемую механическую работу, которая напрямую зависит от того, сколько поршень получит энергии от сгорания топлива. Также на данный параметр влияет итоговая мощность, которую установка отдаёт на коленчатом вале.

От чего зависит КПД

Ошибочно полагать, что КПД дизельного или бензинового двигателя может хоть как-то приблизиться к 100 %. На самом деле итоговый параметр во многом зависит от потерь:

  1. Потери при сгорании топлива стоит рассматривать первостепенно. Всё топливо, которое поступает в мотор, не может полностью сгорать, поэтому его часть просто улетает в выхлопную трубу. Потери в данном случае составляют около 25 %.
  2. Тепловые потери находятся на втором месте по значению. Получение тепла невозможно без энергии. Следовательно, энергия теряется при образовании тепла. Поскольку в случае с двигателем внутреннего сгорания тепло образуется с избытком, возникает необходимость в эффективной системе охлаждения. Однако тепло выделяется не только при сгорании топлива, но также во время работы самого мотора. Это происходит за счёт трения его деталей, поэтому часть энергии он теряет самостоятельно. На эту группу потерь приходится около 35 — 40 %.
  3. Последняя группа потерь имеет место в ходе обслуживания дополнительного оборудования. Расход энергии может идти на кондиционер, генератор, помпу системы охлаждения и прочие установки. Потери в данном случае составляют 10 %.

Страшно представить, что у нас остаётся, поскольку в случае с бензиновыми агрегатами это в среднем 20 %, в иных не более 5 — 7 % дополнительно. Следовательно, заливая 10 литров топлива, которые уходят за 100 км пробега, всего 2,5 литра уходит на полезную работу, тогда как остальные 7 — 8 литров считаются пустыми потерями.

Коэффициент полезного действия: дизель или бензин?

Сравнивая коэффициент полезного действия бензинового и дизельного силового агрегата, о низкой эффективности первого стоит сказать сразу. КПД бензинового мотора составляет всего 25 — 30 %. Если речь идет о дизельном аналоге, показатель в данном случае составляет 40 %. О 50 % может идти речь при установленном турбокомпрессоре. КПД на уровне 55 % допустим при условии использования на дизельном ДВС современной системы топливного впрыска в сочетании с турбиной (читайте о том, как работает турбина).

Несмотря на то, что силовые установки конструктивно похожи, разница в производительности существенная, на что влияет принцип образования рабочей топливно-воздушной смеси и дальнейшая реализация воспламенения заряда. Также существенным фактором является вид используемого топлива. Оборотистость бензиновых силовых агрегатов более высока, если сравнивать с дизельными вариантами, но потери намного больше, поскольку полезная энергия расходуется на тепло. Как итог, эффективность преобразования энергии бензина в механическую работу намного ниже, а большая её часть просто рассеивается в атмосфере.

Крутящий момент и мощность

Если взять как основу одинаковый показатель рабочего объёма, мощность бензинового двигателя превосходит дизельный, но для её достижения обороты должны быть более высокими. Вместе с увеличением оборотов возрастают и потери, расход топлива повышается. Сам крутящий момент также не стоит упускать из виду, поскольку это сила, передающаяся на колёса от мотора, именно она и заставляет автомобиль двигаться. Таким образом, максимальный показатель крутящего момента бензиновыми двигателями достигается на более высоких оборотах.

Дизельный двигатель с аналогичными показателями способен на низких оборотах достичь максимума крутящего момента, а для реализации полезной работы расходуется меньше солярки. Следовательно, КПД дизельного двигателя выше, а топливо расходуется более экономно.

Если сравнивать с бензином, то солярка образует тепло в большей степени при более высокой температуре сгорания топлива. Также наблюдается более высокий параметр детонационной стойкости.

Эффективность бензина и солярки

Находящиеся в составе дизельного топлива углеводороды более тяжёлые, чем бензиновые. Во многом меньший коэффициент полезного действия бензинового мотора обусловлен особенностями сгорания бензинового топлива и его энергетической составляющей. Преобразование тепла в полезную механическую энергию в дизельном двигателе происходит более полноценно, следовательно, сжигание одинакового количества топлива за единицу времени позволяет дизелю выполнить больше работы.

Не стоит также упускать из виду создание необходимых для полного сгорания смеси условий и особенности впрыска. Подача топлива в дизельных моторах происходит отдельно от воздуха, поскольку впрыскивание осуществляется непосредственно в цилиндр на завершающем этапе такта сжатия, а не во впускной коллектор. Как итог, удаётся достичь более высокой температуры, а сгорание каждой порции топлива происходит максимально полноценно.

Повышение КПД двигателя

Топливная эффективность и КПД современных двигателей находятся на своём максимальном уровне, поскольку все усовершенствования, которые только могли иметь место в автомобильной инженерии, уже произошли. Тем не менее, производители стремятся повышать коэффициент полезного действия, но результат, который они получают, никак не сопоставим с огромными ресурсами, усилиями и временем, которое тратят для достижения цели. Итогом является увеличение КПД лишь на 2 — 3 %.

Частично именно эта ситуация стала причиной появления полноценной индустрии так называемого тюнинга двигателя в любой крупной стране. Речь идёт о многочисленных полукустарных мастерских, мелких фирмах и отдельных мастерах, которые доводят традиционные моторы массовых брендов для более высоких показателей, как в плане тяги, так и мощности или КПД. Это может быть форсирование, доработка, доводка и другие ухищрения, определяемые, как тюнинг.

Например, используемый впервые в 20-х годах турбонаддув воздуха, который поступает в двигатель, применяется и сейчас. Такое устройство было запатентовано ещё в 1905 году швейцарским инженером Альфредом Бюхи. В начале Второй мировой войны наблюдалось массовое внедрение систем прямого впрыска топлива в цилиндры поршневых моторов военной авиации. Следовательно, те передовые технические ухищрения, которые мы считаем современными, известны уже более 100 лет.

Выводы

В качестве итога стоит напомнить о том, что инженерам удалось шагнуть далеко вперёд от первых двигателей с КПД в районе 5 %. К тому же, изобретение идеального мотора с КПД под 100 % пока не представляется возможным, поэтому современные силовые установки находятся на пике своей эффективности. Единственный вариант для тех, кто принципиально нуждается в двигателе с 90-процентным КПД — это покупка электромобиля или машины с гибридным двигателем.

 

Пожалуйста, оцените этот материал!

Загрузка...

Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!

Как работает двигатель внутреннего сгорания - x-engineer.org

Подавляющее большинство автомобилей (легковые и коммерческие), которые продаются сегодня, оснащены двигателями внутреннего сгорания . В этой статье мы расскажем, как работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания .

Двигатель внутреннего сгорания классифицируется как тепловой двигатель . Он называется внутренний , потому что сгорание топливовоздушной смеси происходит внутри двигателя, в камере сгорания, а некоторые сгоревшие газы являются частью нового цикла сгорания.

В основном двигатель внутреннего сгорания преобразует тепловую энергию горящей топливовоздушной смеси в механическую энергию . Он называется 4 такта , потому что для выполнения полного цикла сгорания поршню требуется 4 хода. Полное название двигателя легкового автомобиля: 4-тактный поршневой двигатель внутреннего сгорания , сокращенно ICE (Двигатель внутреннего сгорания).

Теперь давайте посмотрим, какие компоненты являются основными компонентами ДВС.

Изображение: Детали двигателя внутреннего сгорания (DOHC)

Обозначения:
  1. распредвал выпускных клапанов
  2. ковш выпускного клапана
  3. свеча зажигания
  4. ковш впускного клапана
  5. впускной распредвал
  6. выпускной клапан
  7. впускной клапан
  8. ГБЦ
  9. поршень
  10. поршневой палец
  11. шатун
  12. блок двигателя
  13. коленчатый вал

ВМТ - верхняя мертвая точка

НМТ - нижняя мертвая точка

Головка блока цилиндров ( 8) обычно содержит распределительный вал (ы), клапаны, клапанные лопатки, возвратные пружины клапана, свечи зажигания / накаливания и форсунки (для двигателей с прямым впрыском).Через головку блока цилиндров протекает охлаждающая жидкость двигателя.

Внутри блока цилиндров (12) мы можем найти поршень, шатун и коленчатый вал. Что касается головки блока цилиндров, то через блок цилиндров течет охлаждающая жидкость, которая помогает контролировать температуру двигателя.

Поршень перемещается внутри цилиндра из НМТ в ВМТ. Камера сгорания - это объем, создаваемый между поршнем, головкой блока цилиндров и блоком двигателя, когда поршень находится близко к ВМТ.

На рисунке 1 мы можем изучить полный набор механических компонентов ДВС.Некоторые компоненты неподвижны (например, головка цилиндров, блок цилиндров), а некоторые из них движутся. На рисунке ниже мы рассмотрим основную движущуюся часть ДВС, которая преобразует давление газа в цилиндре в механическую силу.

Изображение: Движущиеся части двигателя внутреннего сгорания

Обозначения:

  1. звездочка распределительного вала
  2. поршень
  3. коленчатый вал
  4. шатун
  5. клапан
  6. ковш клапана
  7. распределительный вал

Вращение синхронизированного вала распределительного вала составляет с вращением коленчатого вала через зубчатый ремень или цепь.Положение впускного и выпускного клапанов должно быть точно синхронизировано с положением поршня, чтобы циклы сгорания проходили соответствующим образом.

Полный цикл двигателя для 4-тактного ДВС имеет следующие фазы (такты):

  1. впуск
  2. сжатие
  3. мощность (расширение)
  4. выпуск

Ход - это движение поршня между двумя мертвыми центры (нижний и верхний).

Теперь, когда мы знаем, какие компоненты ДВС, мы можем исследовать, что происходит на каждом такте цикла двигателя.В приведенной ниже таблице вы увидите положение поршня в начале каждого хода и подробную информацию о событиях, происходящих в цилиндре.

Ход 1 - ВПУСК

Такт впуска двигателя внутреннего сгорания

В начале такта впуска поршень близок к ВМТ. Впускной клапан открывается, поршень начинает двигаться в сторону НМТ. В цилиндр втягивается воздух (или топливовоздушная смесь). Этот ход называется ВПУСКОМ, потому что в двигатель попадает свежий воздух / смесь.Такт впуска заканчивается, когда поршень находится в НМТ.

Во время такта впуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается из-за инерции компонентов).

Ход 2 - СЖАТИЕ

Такт сжатия двигателя внутреннего сгорания

Такт сжатия начинается с поршня при НМТ после завершения такта впуска. Во время такта сжатия оба клапана, впускной и выпускной, закрываются, и поршни движутся в направлении ВМТ.Когда оба клапана закрыты, воздух / смесь сжимаются, достигая максимального давления, когда поршень находится близко к ВМТ.

Прежде, чем поршень достигнет ВМТ (но очень близко к нему), во время такта сжатия:

  • для бензинового двигателя: генерируется искра
  • для дизельных двигателей: впрыскивается топливо

Во время такта сжатия двигатель потребляет энергии (коленчатый вал вращается за счет инерции компонентов) больше, чем такт впуска.

Ход 3 - МОЩНОСТЬ

Рабочий ход двигателя внутреннего сгорания

Рабочий ход начинается с поршня в ВМТ.Оба клапана, впускной и выпускной, по-прежнему закрыты. Сгорание топливовоздушной смеси начинается в конце такта сжатия, что приводит к значительному увеличению давления внутри цилиндра. Давление внутри цилиндра толкает поршень вниз по направлению к НМТ.

Только во время рабочего такта двигатель вырабатывает энергию.

Ход 4 - ВЫПУСК

Такт выпуска двигателя внутреннего сгорания

Такт выпуска начинается с поршня в НМТ после завершения рабочего хода.Во время этого хода выпускной клапан открыт. Движение поршня от НМТ к ВМТ выталкивает большую часть выхлопных газов из цилиндра в выхлопные трубы.

Во время такта выпуска двигатель потребляет энергию (коленчатый вал вращается из-за инерции компонентов).

Как видите, для полного сгорания цикла (двигатель) поршень должен совершить 4 хода. Это означает, что на один цикл двигателя уходит за два полных оборота коленчатого вала (720 °).

Единственный ход, который производит крутящий момент (энергию) - это рабочий ход , все остальные потребляют энергию.

Линейное движение поршня преобразуется в вращательное движение коленчатого вала через шатун.

Для лучшего понимания мы суммируем исходное положение поршня, положение клапана и баланс энергии для каждого хода.

Баланс энергии

84

Энергетический баланс

84

Порядок хода Название хода Исходное положение поршня Состояние впускного клапана Состояние выпускного клапана 33
33
TDC Открыто Закрыто Потребляет
2 Сжатие BDC Закрыто Закрыто Потребляет
3 Мощность TDC Закрыто Закрыто Производит
4 Выхлоп BDC Закрыто Открыто Потребляет

На анимации ниже вы можете ясно увидеть, как работает двигатель внутреннего сгорания.Обратите внимание на положение поршня, положение клапана, момент зажигания и последовательность ходов.

Анимация двигателя внутреннего сгорания

В следующих статьях мы более подробно рассмотрим параметры, характеристики и компоненты двигателя внутреннего сгорания. Если у вас есть вопросы или комментарии по поводу этой статьи, используйте форму ниже для публикации.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Проверьте свои знания в области двигателей внутреннего сгорания, пройдя тест ниже:

ВИКТОРИНА! (щелкните, чтобы открыть)

.

Преобразование энергии | технология | Britannica

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу. Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; ergon , «рабочий». Энергия может быть связана либо с материальным телом, как спиральная пружина или движущийся объект, либо она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, пересекающее вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично.Измерения энергии - это измерения работы, которые в классической механике формально определяются как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длины ( l ) ко времени ( t ): мл 2 / т 2 . Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое он перемещается, или чем меньше времени требуется на перемещение массы, тем больше будет проделанная работа или больше затраченная энергия.

Развитие концепции энергетики

Термин энергия не применялся как мера способности выполнять работу до довольно позднего периода развития науки механики. В самом деле, развитие классической механики может осуществляться без обращения к концепции энергии. Однако идея энергии восходит к Галилею 17 века. Он признал, что, когда груз поднимается с помощью системы шкивов, прилагаемая сила, умноженная на расстояние, через которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянной, даже если любой из этих факторов может меняться.Концепция vis viva, или живой силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы и квадрата скорости, была введена в 17 веке. В 19 веке термин энергия применялся к концепции vis viva.

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что тогда интерес представляет интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла силы, действующей на массу, которые можно определить.Один - это интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой - интеграл силы за время ее действия на массу или временной интеграл.

Вычисление пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь используется для представления изменения кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину от vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения количества движения массы в результате действия силы.Некоторое время велись споры о том, какая интеграция привела к надлежащей мере силы: немецкий философ-ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц утверждал, что пространственный интеграл является единственной истинной мерой, в то время как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную интеграл. В конце концов, в XVIII веке физик Жан д’Аламбер из Франции показал законность обоих подходов к измерению силы, действующей на массу, и что полемика велась только по номенклатуре.

Резюмируя, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия или энергия, возникающая в результате движения, является результатом пространственной интеграции силы, действующей на массу; импульс - это результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия - это мера способности выполнять работу. Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Сохранение энергии (см. Ниже) было независимо признано многими учеными в первой половине XIX века. Сохранение энергии как кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе при условии отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом. Кроме того, при более внимательном рассмотрении обнаруживается, что трение, которое служит ограничением классической механики, выражается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях блока, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трение».«Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. Джоуль также экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией в это время. Поскольку возникла необходимость в более подробном описании различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей для процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и соответствующий ему энергетический баланс в систему. представляет интерес, при условии общей потребности в сохранении энергии.Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, высвобождающейся при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для работы машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.

.

двигатель внутреннего сгорания | Определение и факты

Двигатель внутреннего сгорания , любое из группы устройств, в которых реагенты сгорания (окислитель и топливо) и продукты сгорания служат рабочими жидкостями двигателя. Такой двигатель получает энергию за счет тепла, выделяемого при сгорании непрореагировавших рабочих жидкостей, топливно-окислительной смеси. Этот процесс происходит внутри двигателя и является частью термодинамического цикла устройства. Полезная работа, создаваемая двигателем внутреннего сгорания (ВС), является результатом воздействия горячих газообразных продуктов сгорания на движущиеся поверхности двигателя, такие как поверхность поршня, лопатка турбины или сопло.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля.

© Роб Байрон / Shutterstock.com

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее широко применяемыми и широко используемыми энергогенерирующими устройствами из существующих в настоящее время. Примеры включают бензиновые двигатели, дизельные двигатели, газотурбинные двигатели и ракетные двигательные установки.

автомобильный плуг

Железный колесный «Фордсон» Генри Форда был представлен в 1907 году и был оснащен двигателем внутреннего сгорания.

© Everett Historical / Shutterstock.com

Двигатели внутреннего сгорания делятся на две группы: двигатели непрерывного сгорания и двигатели периодического сгорания.Двигатель непрерывного внутреннего сгорания характеризуется стабильным поступлением топлива и окислителя в двигатель. Внутри двигателя (например, реактивного двигателя) поддерживается стабильное пламя. Двигатель прерывистого сгорания характеризуется периодическим воспламенением воздуха и топлива и обычно называется поршневым двигателем. Дискретные объемы воздуха и топлива обрабатываются циклически. Бензиновые поршневые двигатели и дизельные двигатели являются примерами этой второй группы.

бензиновые двигатели

Типы бензиновых двигателей включают (A) двигатели с оппозитными поршнями, (B) роторные двигатели Ванкеля, (C) рядные двигатели и (D) двигатели V-8.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Двигатели внутреннего сгорания можно разделить на ряд термодинамических событий. В двигателе непрерывного сгорания термодинамические события происходят одновременно, так как окислитель, топливо и продукты сгорания постоянно проходят через двигатель. В двигателе прерывистого сгорания, напротив, события происходят последовательно и повторяются для каждого полного цикла.

Сэкономьте 50% на подписке Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сегодня

За исключением ракет (как твердотопливных ракетных двигателей, так и жидкостных ракетных двигателей), двигатели внутреннего сгорания поглощают воздух, затем либо сжимают воздух и подают топливо в воздух, либо подают топливо и сжимают топливно-воздушную смесь. Затем, как и во всех двигателях внутреннего сгорания, сжигается топливно-воздушная смесь, работа извлекается из расширения горячих газообразных продуктов сгорания, и в конечном итоге продукты сгорания выбрасываются через выхлопную систему.Их работа может быть противопоставлена ​​работе двигателей внешнего сгорания (например, паровых двигателей), в которых рабочая жидкость не вступает в химическую реакцию, а выигрыш энергии достигается исключительно за счет передачи тепла рабочему телу посредством теплообменника.

Пневматические двигатели

Некоторое количество воздуха, забираемого ТРДД (вверху), поступает в компрессор; остальное обходит главный двигатель. В турбовинтовых двигателях (внизу) горячие газы приводят в действие турбину, которая приводит в действие компрессор и гребной винт и обеспечивает реактивную тягу.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Наиболее распространенным двигателем внутреннего сгорания является четырехтактный бензиновый двигатель с однородным зарядом и искровым зажиганием. Это связано с его выдающимися характеристиками в качестве основного двигателя в отрасли наземного транспорта. Двигатели с искровым зажиганием также используются в авиационной промышленности; однако авиационные газовые турбины стали основным двигателем в этом секторе из-за того, что авиационная промышленность делает упор на дальность полета, скорость и комфорт пассажиров.Сфера двигателей внутреннего сгорания также включает такие экзотические устройства, как сверхзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели внутреннего сгорания (ГПВРД), например, предложенные для гиперзвуковых самолетов, и сложные ракетные двигатели и двигатели, такие как те, что используются на космических челноках США и других космических аппаратах.

.

Двигатели внутреннего сгорания | IntechOpen

Двигатели внутреннего сгорания | IntechOpen

Открытый доступ, рецензируемый экспертами Отредактированный Том

Эта книга по двигателям внутреннего сгорания включает несколько глав, посвященных исследовательской деятельности по широкому кругу текущих проблем с двигателями. В первом разделе собраны статьи, относящиеся к горению, включая все области исследований, от доставки топлива до явлений с выбросами выхлопных газов. Второй посвящен различным задачам по проектированию, моделированию, производству, контролю и испытаниям двигателей. Такая структура должна улучшить читаемость книги и помочь объединить все отдельные главы в единое логическое целое.

Подробнее> Заказать бумажную копию 1965

Открытый доступ, прошедший экспертную оценку

1. Факторы, определяющие воспламенение и эффективное сгорание в современных двигателях, работающих на газообразном топливе

Владислав Митянец

6952
доступ к рецензируемым экспертам

2. Фундаментальные исследования химических изменений и свойств горения углеводородных соединений при введении озона

Авторы Йошихито Ягю, Хидео Нагата, Нобуя Хаяси, Хирохару Кавасаки, Тамико Охшима, Йошиаки Суда и Сейджи Баба

1

Открытый доступ, экспертная оценка

3.Применение синтез-газа для моделирования работы двигателя с искровым зажиганием с использованием машины быстрого сжатия

Элисеу Монтейро, Марк Белленуэ, Жюльен Сотттон и Абель Роубоа

2751

Открытый доступ, прошедший экспертную оценку

4. Термодинамическое исследование рабочего цикла двигателя с воспламенением от сжатия с прямым впрыском

Симон Фигероа, Карлос Вильямар и Ольга Фигероа

2172

Открытый доступ, прошедший экспертную оценку

5.Влияние времени впрыска на экологические характеристики двигателя, работающего на сжиженном нефтяном газе в жидкой фазе

Артур Яворски, Хуберт Кушевский, Казимеж Лейда и Адам Устшицкий

2140

Открытый доступ рецензируемый

6. Интеллектуальное использование двигателей внутреннего сгорания в гибридных электромобилях

Тереза ​​Донатео

1680

Открытый доступ, прошедший экспертную оценку

7.Моделирование и имитационное моделирование систем SI для обнаружения неисправностей

Авторы: Мудассар Аббас Ризви, Караб Раза, Амер Икбал Бхатти, Саджад Заиди и Мансур Хан

3906

Открытый доступ экспертное исследование

8. Рецензируемое исследование. улучшения притока в искровые двигатели за счет использования новых концепций воздушных фильтров

Сорин Рациу и Корнелиу Бирток-Бэняса

1736

Открытый доступ, прошедший экспертную оценку

9.Понимание расхода топлива / экономии легковых автомобилей в реальном мире

Юки Кудо

2823

Отредактированный том и главы проиндексированы в

Закажите печатную копию отредактированного тома

Бесплатная доставка с DHL Express

Твердый переплет (без НДС) £ 119

Заказать сейчас

Для жителей стран Европейского Союза необходимо добавить 5% -ный налог на добавленную стоимость. Учреждения и компании, зарегистрированные как лица, облагаемые НДС в своей стране-члене ЕС, не будут платить НДС, предоставив IntechOpen свой регистрационный номер НДС.Это стало возможным благодаря методу обратной зарядки ЕС.

Специальная скидка для участников IntechOpen

Всем участникам IntechOpen предлагаются специальные скидки, начиная со СКИДКИ 40%, доступные через вашу личную панель.

Вход и покупка
Рисунок 1.

Схематическое изображение синтеза оксида графена, графена (rGO), и его металлический нанокомпозит.

\ n

За последние несколько десятилетий огромное количество синтетических органических соединений, включая текстильные красители, фармацевтические соединения и пестициды, было обнаружено в сточных водах и поверхностных / подземных водах из-за сточных вод, сбрасываемых из различных отраслей промышленности и домашних хозяйств.Большинство фармацевтических соединений и красителей обладают высокой полярностью, низкой летучестью и чрезвычайно устойчивы к процессам биодеградации; они представляют собой потенциальный риск для водных и наземных организмов, а также побочное развитие микробной устойчивости. По этой причине необходимость повышения эффективности обеззараживания органических загрязнителей с использованием экологически чистых технологий возрастает со временем [12, 13]. Озонирование, фотофентон, процессы биодеградации и фотокатализ - широко используемые методы разложения органических соединений; все эти методы показывают высокую эффективность [14].Нанокластеры полупроводников и благородных металлов нанометрового размера демонстрируют множество интересных оптических, электронных, химических и биологических свойств, зависящих от размера / формы; Что касается разложения загрязнителей, наночастицы благородных металлов проявляют повышенную фотохимическую активность из-за их необычных электронных свойств и большой поверхности [15].

\ n

За последние годы нанотехнологии были внедрены практически во все отрасли человеческой деятельности, включая очистку сточных вод. Для удаления неорганических и органических веществ из сточных вод используются многочисленные наноматериалы, во многих случаях даже более эффективно, чем обычные адсорбенты.К ним относятся наночастицы металлов, оксиды металлов, углеродные нанотрубки, графит, фуллерены, нанокомпозиты на основе углерода и др. [16]. С другой стороны, оксид графена расширяет возможности для создания катализатора с участием графена и гибридных нанокомпозитов на основе графена с неорганическими частицами, такими как наночастицы благородных металлов, для фотодеградации загрязняющих веществ (рис. 1). Фотодеградационной активности способствует высокая удельная поверхность (2630 м 2 г -1 ), улучшенные активные центры, большие делокализованные π-электронные системы, хорошая химическая стабильность, уникальные электронные свойства материалов на основе графена и отличные прозрачность; это означает, что он является отличным адсорбентом органических и неорганических загрязнителей [17].Например, графен / оксид графена можно использовать в комбинации с обычными фотокатализаторами (TiO 2 , ZnO), что приведет к увеличению поглощающей способности загрязняющих веществ. Это означает новое поколение фотокаталитических систем, используемых в качестве адсорбента для очистки сточных вод [18].

\ n \ n \ n

2. Оксид графена и синтез графена

\ n

Тенденция к производству графена и нанопластинок графена в больших количествах основана на химическом расслоении графита, которое более выгодно, чем другие методы.В идеале графеновый материал должен состоять только из одного слоя, но в последнее время с таким же интересом исследуются графен с двумя или более слоями. Один из наиболее разработанных методов получения однослойного порошка с высоким выходом графена по модифицированному методу Хаммерса, который заключается в начальном окислении графита до вододисперсного оксида графита, что приводит к увеличению межслоевого расстояния между кислородсодержащим графеном. слои. Кислородсодержащие функциональные группы делают листы GO очень гидрофильными и делают их склонными к быстрому набуханию и, следовательно, легко диспергируются в воде [19].За этим процессом должно следовать механическое или химическое расслоение оксида графита до листов оксида графена и окончательное восстановление до графена (рис. 1) [4, 20]. Кроме того, восстановление оксида графита с использованием термических или химических процедур для получения графена, соответственно названного восстановленным оксидом графена, было сложной областью исследований. Долгое время использовались опасные, токсичные и взрывоопасные восстановители, например, при синтезе металлических наночастиц [21]. Чтобы избежать использования этих химикатов, некоторые авторы рекомендуют использовать биомолекулы, такие как аскорбиновая кислота, редуцирующие сахара, казеин и экстракты растений; как правило, они содержат много полифенолов, которые превращаются в соответствующие им окисленные хиноновые формы со способностью восстанавливать оксид графена [22].

\ n \ n \ n

3. Синтез оксида графена и нанокомпозитов графен-металл

\ n

Графен и оксид графена имеют пластинчатую структуру с большой удельной площадью и фантастическими свойствами, поэтому использование таких материалов имеет смысл в качестве подложки для осаждения неорганических наночастиц, таких как серебро, золото, медь, палладий, железо, кобальт, цинк, олово и т. д. Применяются несколько методов, которые используются для украшения графена и оксида графена, например, метод на основе раствора электроосаждение, термическое испарение, фотохимический синтез и объемный синтез без растворителей, среди прочего; в любом случае тип растворителя, природа и концентрация предшественника металла, присутствие диспергирующего и / или восстанавливающего агента, время и температура являются факторами, которые необходимо контролировать для получения узкого гранулометрического состава [23, 24].Гидрофильность и расслоение оксида графена открыли захватывающие возможности для создания нанокомпозитов и образования сильных физических взаимодействий с небольшими молекулами и полимерами [24].

\ n

Наночастицы уже давно производятся химическими методами; в этом процессе можно использовать агрессивные, токсичные и дорогие химические вещества (например, гидразин, боргидрид натрия, диметилформамид и этиленгликоль) в качестве неэкологичных восстановителей; по этой причине цель зеленой химии состоит в том, чтобы стимулировать использование экологически чистой растворяющей среды, а также восстановителей и стабилизаторов [25].Текущие исследования фитосинтеза с использованием растительных экстрактов показали, что они являются хорошей альтернативой быстрому и нетоксичному производству наночастиц; это благодаря антиоксидантной активности некоторых растений, которые имеют высокое содержание полифенолов (например, флавоноидов, флавонов), каротиноидов, восстанавливающих сахаров, терпеноидов, глутатионов и металлотионеинов, среди других молекул, которые могут действовать как восстанавливающие и укупоривающие агенты в образование наночастиц и замена токсичных химических веществ [26]. Фитосинтез металлических наночастиц включает три основных этапа: (i) выбор среды растворителя, (ii) выбор экологически безвредного восстановителя и (iii) выбор нетоксичных веществ для стабильности наночастиц [27].

\ n

Нанокатализ - это недавняя область исследований в области нанонауки; большинство исследований связано с использованием наночастиц сферической или неопределенной формы с малым размером в качестве альтернативы обычным материалам [28]. Комбинация графена или оксида графена с металлическими наночастицами открыла новую область в восстановлении окружающей среды за счет увеличения активности фотокаталитического разложения в отношении органических загрязнителей из-за способности поглощать свет и усиливать гетерогенный катализ [4, 29].Органические загрязнители, сбрасываемые промышленными предприятиями, могут оставаться в окружающей среде, поскольку они обладают высокой растворимостью в воде и высокой устойчивостью к свету, температуре и биологическому разложению. В последнее время большое внимание уделяется биогенному синтезу металлического нанокомпозита, связанного с графеном или оксидом графена, для фотодеградации органических соединений в сточных водах, таких как красители, фармацевтические препараты и средства личной гигиены (PPCP), а также пестициды (рис. 2). их токсичность для человека и окружающей среды.

\ n
Рис. 2.

Использование нанокомпозита оксид графена / металлический графен для фотодеградации различных категорий органических загрязнителей.

\ n \ n \ n

4. Механизм фотокаталитического разложения органических загрязнителей

\ n

Недавно, чтобы разложить органические соединения красителей, многие исследователи во всем мире изучали фотокаталитический материал, который обычно представляет собой полупроводник с широкой запрещенной зоной. наличие солнечной энергии. Для практических применений желательна разработка эффективных, воспроизводимых и экономичных фотокатализаторов, индуцируемых видимым светом, для крупномасштабного производства катализаторов.В последнее время появилось много исследовательских работ, посвященных плазмонному фотокатализу с использованием благородных металлов, таких как серебро [30], фотокатализаторов на основе углерода (нанотрубки, фуллерены, графен и др.) [31], композитов на основе полупроводников и углеродов [32] и их структура (включая размер, форму, кристалличность, пористость, форму контакта и т. д.). Принципы гетерогенного фотокатализа основаны на сложной последовательности реакций, которые создают электронно-дырочные пары при фотоосвещении. Фотокатализатор на короткое время поглощает УФ и / или видимое излучение солнечного света, которое в избытке доступно в виде естественной энергии излучения или освещенного источника света, как показано на рисунке 3.Электроны (e - ) в валентной зоне (VB) фотокатализатора возбуждаются в зону проводимости (CB), а дырки остаются в валентной зоне. Таким образом, создаются недостающие отрицательные заряды / отрицательные (e - ) и положительные электронно-дырочные (h + ) пары. Эта стадия называется «фотовозбужденным» состоянием полупроводника, а разность энергий между валентной зоной и зоной проводимости называется «запрещенной зоной». Он должен соответствовать длине волны света, чтобы он эффективно поглощался фотокатализатором.Образующиеся таким образом электронно-дырочные пары мигрируют к поверхности, где они могут инициировать окислительно-восстановительные реакции с адсорбатами. Фотогенерированные реакции с положительными дырками связаны с окислением гидроксильных групп или молекул воды с образованием гидроксильных (• ОН) радикалов и реакциями с электронами с образованием растворенного кислорода для восстановления супероксид-анион-радикала (• O 2 \ n - ), что затем реагирует с H + с образованием • HO 2 и H 2 O 2 с последующим быстрым разложением до • OH.Разложение / дезинфекция токсичных загрязнителей происходит за счет образования • OH, которые имеют очень низкую селективность реакции. Эти радикалы • OH приводят к окислению загрязняющих веществ до полной минерализации, то есть к менее химически активным загрязнителям [28, 33].

\ n
Рисунок 3.

Механизм фотокаталитического разложения органических загрязнителей.

\ n \ n \ n

5. Фотокаталитическая деградация красителей

\ n

В последние десятилетия фотокатализаторы на основе металлических нанокомпозитов на основе графена или оксида графена привлекли большое внимание в очистке воды из-за их высокой фоточувствительности и экологичности , стабильность, нетоксичность и низкая стоимость.Углеродистый материал хорошо известен как эффективный адсорбент из-за гидрофобного взаимодействия, π-π взаимодействий, взаимодействий с водородными связями, а также электростатических и дисперсионных взаимодействий, и он имеет большую удельную поверхность, а также действует как поглотитель электронов из-за своей большой емкости для хранения электронов. . На рис. 4 показаны структурные формулы солей различных токсичных органических красителей. Vizuete et al. сообщили о формировании нанокомпозита серебро-графен (Ag-G) путем восстановления Ag + и оксида графена с использованием ягодного экстракта Мортиньо ( Vaccinium floribundum Kunth).Полученный нанокомпозит Ag-G показал повышенную фотокаталитическую активность в отношении разложения метиленового синего (k = 0,0163283 мин -1 ) и метиленового апельсина (k = 0,0140985 мин -1 ) в водной среде при облучении солнечным светом [ 34]. Chandu et al. сообщили о синтезе на месте нанокомпозита серебра, декорированного на листах из восстановленного оксида графена, с использованием экстракта листьев бетеля в качестве стабилизатора и восстановителя. Листовая структура восстановленного оксида графена и равномерно распределенные наночастицы серебра 28 нм показали хорошую фотокаталитическую эффективность (95% за 2 ч) против метиленового синего на солнечном свете [35].В другой статье Chandu et al. эффективно синтезированные листы оксида графена, украшенные наночастицами серебра (нанокомпозит CRG-Ag), за 12 часов с использованием экстракта заварного яблока, и нанокомпозит CRG-Ag в исходном состоянии показали превосходную фотокаталитическую эффективность 96% за 2 часа под солнечным светом с использованием метиленового синего (5 мг / L) как модельный загрязнитель [36]. Марьями и др. использовали экстракт листьев Abutilon hirtum в качестве восстанавливающего и закрывающего агента для синтеза серебра, нанесенного на восстановленный оксид графена (Ag / RGO).Кристаллическая природа нанокомпозита Ag / RGO была идентифицирована с помощью рентгеноструктурного анализа и использована в качестве катализатора для восстановления органических красителей, таких как 4-нитрофенол (4-NP), конго красный (CR) и родамин B, в кратчайшие сроки. в воде в мягких условиях [37].

\ n
Рис. 4.

Структурная формула соли для различных токсичных органических красителей.

\ n

Chandra et al. объяснили, что фотодеградация эозина, метиленового синего и родамина B составляет почти 80% в присутствии нанокомпозита графен-Mn 2 O 3 [38].С другой стороны, Benjwal et al. разработали улучшенную фотокаталитическую деградацию метиленового синего с помощью восстановленных нанокомпозитов на основе оксида графена-оксида металла (TiO 2 / Fe 3 O 4 ) с эффективностью (~ 100% за 5 мин) [39]. Nenavathu et al. синтезировал функционализированные нанокомпозиты оксид графена (FGS) / ZnO с повышенной фотокаталитической активностью в отношении фотодеградации красителя сафранина Т в водном растворе экономичным, легким и простым способом растворения с последующим прокаливанием в условиях окружающей среды [40].Xiong et al. исследовали эффект модификации восстановленного оксида графена кристаллическими частицами меди. Медь действовала как электронное реле, передавая возбужденные электроны от восстановленного оксида графена к адсорбированному кислороду. Постоянно генерируемые активные формы кислорода приводили к деградации родамина B под воздействием видимого света [41]. Фу и его сотрудники приготовили магнитно-разделимый нанокомпозитный фотокатализатор ZnFe 2 O 4 / графен с помощью простого одностадийного гидротермального метода.Фотокатализатор показал 88% разложения метиленового синего при добавлении H 2 O 2 за 5 минут и достигло 99% через 90 минут после облучения видимым светом. Он выполняет двойную функцию как фотоэлектрохимический разрушитель и генератор гидроксильных радикалов посредством фотоэлектрохимического разложения H 2 O 2 [42].

\ n

Луи и др. синтезировали иерархические наноцветы TiO 2 с помощью сольвотермической реакции. Обернутые графеном иерархические наноцветы TiO 2 показали улучшенные характеристики деградации метиленового синего под УФ-облучением.Это усиленное фотодеградация объясняется превосходной способностью переноса заряда, то есть электрон, поскольку графен имеет отличную проводимость, которая, в свою очередь, подавляет рекомбинацию пары электрон-дырка и обеспечивает более предпочтительные места адсорбции для метиленового синего, что, в свою очередь, увеличивает деградация метиленового синего [43]. Lv et al. сообщили о быстром и простом методе синтеза с помощью микроволнового излучения для производства гибридных композитов на основе оксида графена, восстановленного ZnO, и изучили фотокаталитические характеристики при разложении метиленового синего.Результаты показали, что восстановленный оксид графена играет важную роль в улучшении фотокаталитических характеристик. Было показано, что композит ZnO-rGO с 1,1% масс. RGO достиг максимальной эффективности разложения 88% в нейтральном растворе под УФ-светом по сравнению с чистым ZnO (68%) из-за повышенного поглощения света и уменьшения рекомбинации зарядов [44] . Thangavel et al. впервые сообщил о синтезе и фотокаталитическом поведении нанокомпозитов из оксида графена, восстановленного β-вольфраматом β-олова (β-SnWO 4 -rGO).Эффективность разложения 55 и 60% была достигнута одним β-SnWO 4 , тогда как в присутствии rGO эффективность фотокаталитического разложения была увеличена до 90 и 91% для метиленового оранжевого и родамина B, соответственно [ 45].

\ n

Тройные нанокомпозиты, содержащие Ag-Cu 2 O, поддерживаемые восстановленным глюкозой оксидом графена с повышенной стабильностью и фотокаталитической активностью в видимом свете, были синтезированы Sharma et al. с помощью простого и экологичного подхода с использованием раствора Бенедикта и раствора глюкозы при комнатной температуре.Полученные нанокомпозиты Ag-Cu 2 O / rGO показали превосходную фотокаталитическую эффективность для фотодеградации метилового оранжевого, и скорость разложения была выше, чем у исходных НК Cu 2 O и Cu 2 O / rGO. [46]. Xiong et al. сообщили об отличных фотокаталитических характеристиках в видимом свете для графена, модифицированного наночастицами золота, при разложении в воде неразлагаемых биоразлагаемых красителей, таких как родамин B, метиленовый синий и оранжевый II. Расчетные константы скорости составили около 8.7 × 10 −3 мин −1 , 4,1 × 10 −2 мин −1 и 9,4 × 10 −4 мин −1 для родамина B, метиленовый синий и оранжевый II, соответственно. Он подтвердил, что графен, модифицированный золотым фотокатализатором, имеет четыре важных особенности по сравнению с TiO 2 : (1) высокая адсорбционная способность по отношению к органическим красителям, (2) сильное рр-взаимодействие с хромофорами красителей, (3) эффективная инжекция фотосенсибилизированных электронов и (4) медленная рекомбинация электронов.Эти особенности делают графен, модифицированный золотым композитом, хорошим кандидатом для фото-ассистируемой деградации загрязнителей красителей в воде [47].

\ n

Нанокомпозиты ZnS / rGO, декорированные палладием, полученные методом соосаждения, показали значительную индуцированную видимым светом фотокаталитическую активность в отношении разложения индигокарминового красителя. Самая высокая фотокаталитическая активность составила 1,0% образец Pd-ZnS / rGO для разложения 20 ppm индигокармина ( k = 2,19 × 10 −2 мин −1 ) [48].Курт и др. подготовленный нанолист восстановленного графена, украшенный платиной и палладием, обладающий антиоксидантной активностью; Значения IC 50 составляют 46,1 и 90,2 мкг / мл соответственно по методу ABTS и 80,2 и 143,7 мкг / мл по методу DPPH. Он также показал фотокаталитическое удаление фуксиновых и индигокарминовых красителей под действием света [49]. Isari et al. приготовили тройной нанокомпозит TiO 2 , легированный Fe, декорированный на восстановленном оксиде графена простым золь-гель методом.Результаты DRS фотокатализаторов показали сужение запрещенной зоны за счет введения ионов Fe в каркас из диоксида титана. Максимальное удаление родамина B составляет 91% через 120 мин при солнечном освещении при использовании 0,6 г нанокомпозита TiO 2 / rGO, легированного Fe, содержащего 3% Fe и 5% rGO, с начальным pH 6 [50]. Эль-Шафай и др. изготовили два нанокомпозитов, а именно оксид графена-оксид железа (GO-Fe 3 O 4 ) и оксид графена-оксид железа-оксид циркония (GO-Fe 3 O 4 @ZrO 2 ), и охарактеризовали их идентичность с помощью различных спектроскопических методов.Было обнаружено, что вновь изготовленные нанокомпозиты GO-Fe 3 O 4 (3,66 эВ) и GO-Fe 3 O 4 @ZrO 2 (3,20 эВ) имеют преимущество в виде меньшей ширины запрещенной зоны, чем GO ( 4,00 эВ), что приводит к увеличению адсорбционной способности и фотокаталитических эффектов. Результаты подтвердили, что RhB эффективно адсорбируется на поверхности оксида графена (~ 93%) и обладает значительным ингибирующим действием против бактерий E. coli [51].

\ n

Гидротермальный синтез и фотокаталитическая активность нанокомпозитов на основе оксида графена, восстановленного SnS, в отношении фотодеградации малахитовой зелени в воде исследовались Ван и др.. Результаты экспериментов показали, что синтезированные нанокомпозиты показали превосходную фотокаталитическую активность малахитового зеленого в воде при возбуждении солнечным светом с квазикинетической константой скорости в диапазоне ∼0,32–0,69 ч - 1 и она увеличилась до ∼0,60–1,82 ч. - 1 с использованием H 2 O 2 синтетически [52]. Ye et al. подготовили нанокомпозиты CdS-графен и CdS-углеродные нанотрубки гидротермальным методом и исследовали их в качестве фотокатализаторов для выделения водорода и разложения метилового оранжевого под воздействием видимого света.Включение графена или углеродной нанотрубки в CdS значительно повысило фотокаталитическую активность обеих реакций. Он подтвердил, что скорость фотодеградации метиленового оранжевого была самой высокой для CdS-графена и в 7,9 раза выше, чем у одного CdS, и в 1,8 раза выше, чем у композита CdS-углеродные нанотрубки [53]. Недавно Ansari et al. впервые изготовили наночастицы гексаферрита кобальта с использованием природных восстановителей (углеводов и пигментов) золь-гель методом и сравнили фотокаталитическую активность с их нанокомпозитами на основе углерода, включая графен и углеродные нанотрубки.Было обнаружено, что порядок деградации метиленового оранжевого под воздействием УФ-излучения организован как нанокомпозит на основе графена> нанокомпозит на основе УНТ> чистые наночастицы. Это может быть связано с уникальной структурой и удельной поверхностью графена (2D) и, возможно, УНТ (1D). Кинетические исследования показали, что фотокаталитические реакции в присутствии чистых наночастиц и нанокомпозитов на основе УНТ с последующим псевдопервым порядком, но в присутствии нанокомпозитов на основе графена с последующим нулевым порядком указывают на насыщение поверхности графена МО в качестве органического загрязнителя через физическое поглощение [54].На сегодняшний день выполнено очень мало работ, связанных с фитохимическим синтезом наноструктур оксида графена, связанного с металлом / оксидом металла / оксид восстановленного графена, для разложения органических загрязнителей.

\ n \ n \ n

6. Фотокаталитическая деградация фармацевтических препаратов и средств личной гигиены

\ n

В течение последних нескольких десятилетий экологические исследования были в большей степени сосредоточены на небиоразлагаемых фармацевтических препаратах и ​​товарах личной гигиены из-за их возможного прямого повреждения живые организмы и сельское хозяйство.PPCP можно дополнительно классифицировать как антибиотики, противосудорожные средства, контрастные вещества, гормоны, нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП), β-блокаторы, регуляторы липидов, обезболивающие, консерванты, дезинфицирующие средства, репелленты от насекомых, фунгициды, мыло и детергенты, ароматизаторы и солнцезащитные кремы. УФ-фильтры [55]. На рисунке 5 показаны структурные формулы для различных фармацевтических продуктов и средств личной гигиены. Адсорбция, фотокатализ и комбинация этих двух методов считаются многообещающими технологиями удаления антибиотиков из сточных вод.Преимущества метода адсорбции заключаются в простоте эксплуатации, низкой стоимости, высокой эффективности, высокой воспроизводимости и доступности различных адсорбентов. В то время как фотокатализ, как лучший передовой процесс окисления (АОП), представляет собой экономичную, эффективную и экологически чистую технологию разложения антибиотиков с использованием солнечного света и условий окружающей среды [56]. Хотя фотокатализаторы на основе графена обладают высоким потенциалом фотокаталитического разложения антибиотиков из-за взаимодействия ароматического кольца антибиотиков с оксидом графена / восстановленным оксидом графена, главным образом, через взаимодействие π-π-связей.

\ n
Рис. 5.

Структурная формула различных фармацевтических продуктов и средств личной гигиены.

\ n

Тетрациклин, второй по популярности антибиотик в мире, широко используется в медицине, ветеринарии и в качестве стимулятора роста при выращивании животных. Он плохо метаболизируется и усваивается людьми и животными; таким образом, большие фракции выводятся с мочой и калом. Поэтому он часто обнаруживается в почве, поверхностных водах и даже питьевой воде.Рассматривая этот вопрос, Сонг и др. Получил нанокомпозит MnO 2 / графен гидротермальным методом in situ и успешно удалил до 99,4% остатка тетрациклина в фармацевтических сточных водах [57]. С другой стороны, Shanavas et al. изучили деградацию молекул ибупрофена и тетрациклина при облучении видимым светом в течение 90 мин с использованием тройного композита Cu / Bi 2 Ti 2 O 7 / rGO. Анализ полученных результатов показал, что наночастицы Cu и листы rGO играют основную роль в фотокаталитической способности фотокатализаторов Cu / Bi 2 Ti 2 O 7 / rGO, действуя как ловушки носителей заряда и подавление рекомбинации пар e - -h + [58].Новый модифицированный азотом нанокомпозит восстановленного оксида графена с функцией адсорбции и каталитического разложения норфлоксацина и кетопрофена в воде был успешно объяснен Peng et al. Полное удаление норфлоксацина (20 мг / л) было достигнуто в течение 210 мин при добавлении 10 ммоль / л. С. 2 O 8 \ n 2- и 100 мг / л нанокомпозита в исходном состоянии, а эффективность удаления общего органического углерода (ТОУ) составила 89% [59].

\ n

Повышенная фотокаталитическая активность композитов графен-TiO 2 делает их идеальным материалом для восстановления PPCP.Однако одним из основных препятствий на пути использования наноразмерных катализаторов при очистке воды является сложность разделения и извлечения катализаторов. Lin et al. синтезировали серию светящихся боковых световодов (SOF), восстановленных TiO 2 , покрытых оксидом графена, методом гидротермального осаждения с использованием полимеров. Фотокаталитические характеристики синтезированных нанокомпозитов показали значительно более высокую фотокаталитическую активность, чем чистый TiO 2 . Наибольшую каталитическую активность наблюдали 2.7% восстановленный оксид графена, что приводит к разложению карбамазепина на 54%, к ибупрофена на 81% и на сульфаметоксазол на 92% после 180-минутного УФ-облучения под высоким давлением; Степень минерализации фармацевтических препаратов была одинаковой от 52 до 59% [60]. Пастрана-Мартинес и др. синтезировал модифицированный оксидом графена композит TiO 2 методом жидкофазного осаждения и использовал его для фотокаталитического разложения дифенгидрамина под воздействием ультрафиолетового и видимого излучения. Было отмечено, что полная деградация и значительная минерализация загрязняющего вещества дифенгидрамина (менее чем за 60 мин) достигаются при облучении в ближнем УФ / видимом диапазоне для оптимума 3.3–4,0 мас.% ГО в композитах после синтеза [61]. Трехмерный пористый аэрогель rGO-TiO 2 , как было показано, удаляет карбамазепин (10 частей на миллион) более чем на 99% в течение 90 минут в водном растворе. Макропористая трехмерная структура аэрогеля привела к многочисленным поверхностным участкам, эффективному разделению зарядов, улучшенному переносу массы загрязняющих веществ и легкому разделению [62].

\ n

Семейство наночастиц кобальта, полученных из титана (Co 3 O 4 / TiO 2 ) и функционализированного амином диоксида титана Co 3 O 4 / TiO 2 , синтезированного с помощью нанокомпозита оксида графена золь-гель и гидротермальные пути демонстрируют отличные характеристики фотокаталитического разложения окситетрациклина под солнечным и видимым облучением.Образование гетероперехода между низкой концентрацией дискретных наночастиц Co 3 O 4 и анатаза диоксида титана сильно способствовало фотокаталитическому окислительному разложению окситетрациклина, которое дополнительно усиливалось при добавлении следовых количеств GO. Функционализированный амином 2 мас.% Co 3 O 4 / TiO 2/ GO демонстрирует отличные скорости и стабильность в отношении фотодеградации окситетрациклина под воздействием видимого света [63]. Fe 3 O 4/ Mn 3 O 4 -rGO Нанокомпозит также был использован для всестороннего фотокаталитического разложения водного раствора сульфаметазина.Результаты показали эффективность разложения сульфаметазина 99% при оптимальных условиях: концентрация сульфаметазина 0,07 мм / л, 0,5 г / л Fe 3 O 4/ Mn 3 O 4 Нанокомпозиты -rGO, 35 ° C, pH 3 и концентрации перекиси водорода 6 мМ [64]. Karthik et al. изготовил нанокомпозит, состоящий из нанокубиков молибдата церия, декорированных оксидом графена (Ce (MoO 4 ) 2 / GO)), и использовал его в фотокаталитической деградации хлорамфеникола под воздействием видимого света.Композит Ce (MoO 4 ) 2 / GO показал превосходный потенциал фотодеградации по отношению к лекарству и показал более высокую эффективность разложения (99% в течение 50 минут), чем чистый нанокубик Ce (MoO 4 ) 2 . Впечатляющие характеристики композитов были приписаны отличному разделению фотогенерированных электронов и дырок [65]. Композит GO-TiO 2 , пригодный для повторной магнитной переработки, показал до 99% удаления карбамазепина и кофеина в течение 60 минут при УФ-облучении, и этот композит можно было полностью восстановить и повторно использовать с помощью магнитной сепарации.Дополнительным преимуществом является то, что композит GO-TiO 2 является полностью восстанавливаемым, многоразовым и простым в производстве [66]. Электропряденый одномерный композит оксид графена-нановолокно TiO 2 был приготовлен с использованием поливинилпирролидона (ПВП) в качестве волокнообразующего носителя. Он показал более высокую скорость фотодеградации 4-хлорфенола при облучении видимым светом по сравнению с исходным TiO 2 из-за повышенной эффективности разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар [67].

\ n \ n \ n

7.Фотокаталитическое разложение пестицидов

\ n

Пестициды - это химические вещества естественного или синтетического происхождения, предназначенные для борьбы с вредителями и сорняками и их уничтожения. В его состав входят бактерициды, фунгициды, гербициды и инсектициды. Чрезмерное использование пестицидов сопряжено с различными опасностями для окружающей среды и вредит живым организмам из-за их канцерогенного воздействия. Таким образом, существует острая необходимость в разработке технологии, которая могла бы эффективно обнаруживать и разлагать эти опасные пестициды без ущерба для окружающей среды с низкими затратами.Нанонаука и нанотехнологии - новые области, которые могут служить этой цели [68]. Композиционные материалы на основе графена обладают большим потенциалом в качестве адсорбента и фотокатализатора для очистки сточных вод от пестицидов. Сильное π-π взаимодействие органического загрязнителя с ароматическим кольцом графена является механизмом, лежащим в основе сильного адсорбционного поведения ГО по отношению к различным пестицидам [68]. На Рисунке 6 показан список некоторых пестицидов, обычно используемых в сельском хозяйстве. Boruah et al. подготовил нанокомпозит с НЧ Fe 3 O 4 и восстановленным ГО (rGO) для удаления триазиновых пестицидов.Электростатическое взаимодействие между нанокомпозитом и пестицидом помогло в эффективной адсорбции и удалении пестицида. Нанокомпозит продемонстрировал эффективность адсорбции пестицидов 93,61%. Легкое извлечение этих магнитных нанокомпозитов из реакционных смесей путем приложения внешнего магнитного поля было дополнительным преимуществом по сравнению с их большой удельной площадью поверхности [69]. Нанокомпозит диоксида кремния (GCS), покрытый графеном, был использован в качестве высокоэффективного адсорбента для удаления некоторых фосфорорганических пестицидов из загрязненной воды.Эффективная адсорбция объясняется электронодонорными эффектами атомов N, S и P и сильной сеткой π-связей бензольных колец в пестицидах [70]. В другом исследовании нанокомпозит из rGO и наночастиц серебра был использован для разложения и удаления хлорорганических пестицидов, включая дихлордифенилдихлорэтилен (DDE), хлорпирифос и эндосульфан. Дегалогенирование пестицидов, вызванное наночастицами серебра, с последующей адсорбцией продуктов разложения на rGO, было основным двухэтапным механизмом разложения и удаления этих пестицидов.Высокая способность к повторному использованию и адсорбционная способность этого нанокомпозита подтверждают его использование для восстановления различных пестицидов, присутствующих в воде и почве [71]. Cata et al. разработал простой и экономичный метод равномерного диспергирования наночастиц серебра размером 15 нм на поверхности нанолистов rGO с использованием гидротермального процесса в одном резервуаре с присутствием поливинилпирролидона в качестве поверхностно-активного вещества и восстановителя. Результаты показали, что полученные нанокомпозиты rGO-Ag демонстрируют наивысшую эффективность спектроскопии комбинационного рассеяния света с усилением поверхности (SERS) и хорошую чувствительность к пестициду трициклазола.Это можно объяснить электронным взаимодействием между наночастицами серебра и оксидом графена, что дает уникальные преимущества материала для высокоэффективного обнаружения молекул загрязняющих веществ в приложениях для мониторинга окружающей среды [72].

\ n
Рис. 6.

Структурная формула различных пестицидов.

\ n

Gupta et al. предложили использовать нанокомпозиты CoFe 2 O 4 @ TiO 2 -rGO для удаления из сточных вод фосфорорганического инсектицида хлорпирифоса.Фотокаталитическая деградация хлорпирифоса соответствует кинетической модели псевдопервого порядка. Магнитные наночастицы CoFe 2 O 4 уже зарекомендовали себя как эффективные фотокатализаторы для разложения загрязняющих веществ в окружающей среде и могут быть легко отделены с помощью внешнего магнитного поля [73]. Keihan et al. впервые продемонстрировали фотодеградацию фосфорорганического пестицида параоксона с использованием нанокомпозита. Они получили наночастицы Ag и графен, совместно загруженный TiO 2 с различным содержанием Ag и графена, с помощью простого сольвотермического метода без поверхностно-активных веществ со смесью воды и этанола.Он показал лучшую фотокаталитическую активность в отношении разложения параоксон-содержащего нанокомпозита с 6 мас.% Ag и 1 мас.% Графена под облучением видимым светом. Кроме того, полное фотодеградация параоксона подтверждается газовой хроматографией-масс-спектрометрией, и он дает 4-нитрофенол, диэтилфосфат, моноэтилфосфат, гидрохинон и гидроксигидрохинон в качестве основных промежуточных продуктов, и последующее фоторазложение этих результатов приводит к полной минерализации параоксона [74] . В другом исследовании rGO был использован для изготовления нанокомпозита с β-циклодекстрином / оксидом железа для удаления хлорорганических пестицидов

.

Альтернативные виды топлива для двигателей внутреннего сгорания

1. Введение

Нефть является бесспорным крупнейшим источником энергии для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Однако быстрое истощение запасов нефти из-за увеличения количества транспортных средств, выбросов загрязняющих веществ в продуктах сгорания, которые угрожают экологической системе, и опасения по поводу надежности поставок из-за неравномерно распределенных запасов нефти по всему миру, из которых около 50 % находится на Ближнем Востоке, поощряет поиск источников топлива, которые являются более экологически чистыми и имеют обширные запасы в мире [1].

Бензин и дизельное топливо, которые производятся из сырой нефти, также могут быть получены синтетически из газов CO и H 2 методом, обнаруженным немецкими химиками Францем Фишером и Гансом Тропшем в 1923 году. Синтез Фишера-Тропша, запатентованный метод с тех пор. 1926, обеспечивает получение синтетического жидкого топлива из многих видов углеродного и водородного сырья. Обычно уголь, природный газ и метан используются для получения больших количеств газов CO и H 2 , которые необходимы для реакций синтеза.Сегодня Германия, Индия, Китай и Южная Африка, располагающие крупными запасами угля, производят коммерчески синтетическое топливо с синтезом Фишера-Тропша [2, 3, 4]. Однако, поскольку состав синтетического бензина и дизельного топлива аналогичен составу природного бензина и дизельного топлива, их влияние на выбросы загрязняющих веществ в результате транспортных средств также аналогично.

В этой главе, с целью снижения выбросов загрязняющих веществ в результате работы двигателей внутреннего сгорания, описываются характеристики водорода, природного газа, ацетилена и этанола, которые являются альтернативными видами топлива и могут использоваться без изменения конструкции двигателей SI и CI, и их влияние на характеристики двигателя и выбросы выхлопных газов.Физические и химические характеристики бензина, дизельного топлива и альтернативных видов топлива, упомянутых в этой главе, показаны в таблице 1.

Свойства Ацетилен Водород CNG Этанол Бензин Дизель
Формула C 2 H 2 H 2 CH 4 C 2 H 5 9 OH 3 C 4 –C 12 C 8 –C 20
Плотность (1 атм, 20 ° C (кг / м 3 )) 1.092 0,08 0,65 809,9 720–780 820–860
Температура самовоспламенения (° C) 305 572 540 363 257 254
Стехиометрическое соотношение (кг / кг) 13,2 34,3 17,2 9 14,7 14,5
Моторное октановое число 45–50 130 105 89.7 95–97 -
Пределы воспламеняемости в воздухе (% об.) 2,5–81 4–74,5 5,3–15 3–19 1,4–7,6 0,6 –5,5
Температура адиабатического пламени (K) 2500 2400 2320 2193 2300 2200
Мин. Диаметр закалки (мм) 0,85 0,9 3,53 2.97 2,97 -
Мин. энергия воспламенения (МДж) 0,019 0,02 0,29 0,23 0,23 -
Максимальная скорость пламени (м / с) 1,5 3,5 0,42 0,61 0,5 0,3
Нижняя теплота сгорания (кДж / кг) 48,225 120,000 49,990 26,700 43.000 42,500

Топливо, используемое в ДВС, обычно производится из первичных ресурсов. Чтобы преобразовать источник в топливо и доставить это топливо к транспортному средству, проводится анализ от скважины к резервуару (WTT) с точки зрения потребления энергии и выбросов парниковых газов. Балансы энергии и парниковых газов, полученные на основе анализа WTT за 2010–2020 + годы для альтернативных видов топлива в ЕС, показаны в таблице 2. Когда таблица 2 исследуется в соответствии с типами топлива, максимальная энергия потребляется для производства газообразного водорода и минимальные затраты энергии на бензиновое топливо.С другой стороны, когда таблица 2 сравнивалась с точки зрения ресурсов, наибольшее потребление энергии было получено в размере 3,11 МДж / МДж при использовании электролиза при производстве водорода, в то время как наименьшее потребление энергии наблюдалось как 0,1 МДж / МДж при производстве должен газ убирать из географии ЕС. Из таблицы 2 видно, что наибольшее значение CO 2 образуется при получении газообразного водорода, а наименьшее значение выбросов выделяется для бензинового топлива. Что касается ресурсов, то при производстве водорода из угля наибольшее значение выбросов парниковых газов составляет 237 г CO 2 / МДж, а наименьшее количество выбросов парниковых газов составляет 3.3 г CO 2 / МДж при производстве синтетического природного газа из ветровой электроэнергии.

Топливо Ресурс Затраченная энергия [МДж / МДж топливо] Выбросы парниковых газов [г CO 2 / МДж]
Бензин Сырая нефть 0,18 13,8
Дизель Сырая нефть 0,20 15,4
Природный газ EU-mix NG 0.17 13,0
Импортированный НГ 7000 км 0,29 22,6
Импортированный НГ 4000 км 0,21 16,1
СПГ * 0,28 19,9
Сланцевый газ 0,10 7,8
Синтетическое из ветрового электричества 1,05 3,3
Этанол Сахар * 1,20 28.4
Пшеница * 1,31 55,6
Другое * 1,66 41,4
Водород Природный газ * 1,10 118
Уголь * 1,45 237
Биомасса * 1,05 14,6
Электричество * 3,11 190

Таблица 2.

Баланс энергии и парниковых газов в анализах WTT для ЕС (2010–2010 гг.) 2020+) [154].

2. Ацетилен

Ацетилен использовался в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания в начале 1900-х годов. В 1901 году Гюстав Уайтхед использовал двигатель мощностью 15 кВт, работающий на ацетилене, на своем летательном аппарате. К 1940-м годам ацетилен начал использоваться в автомобилях. В те годы было выдано около 4000 лицензий на перевод автомобилей на альтернативные виды топлива, причем более половины из них приходилось на перевод на ацетилен [5]. В настоящее время ацетилен используется только в металлургической и химической промышленности и не используется в автомобилях.Тем не менее, экспериментальные исследования по использованию ацетилена в ДВС в последние годы набирают обороты из-за высокой скорости пламени и плотности энергии.

Ацетилен был впервые обнаружен Эдмундом Дэви в 1836 году. Но впоследствии о нем забыли. Марселлен Бертло заново открыл это углеводородное соединение в 1860 году. Он придумал этому соединению название «ацетилен» [6].

Ацетилен, первый член алкинов (C n H 2n − 2 ), представляет собой газ без цвета и запаха, но с запахом, похожим на запах чеснока, если он получен из карбида кальция.Газообразный ацетилен в больших количествах не встречается в природе, но обычно его получают в результате реакции карбида кальция с водой [7]. Карбид кальция (CaC 2 ) получают нагреванием смеси негашеной извести и кокса в электродуговых печах до 2000–2100 ° C. Негашеную известь (CaO) получают путем нагревания карбоната кальция (CaCO 3 ) примерно до 900 ° C. На рис. 1 схематически представлена ​​интегрированная установка по производству карбида кальция [8]. Более того, процессы видны в уравнениях.(1) и (2) [8, 9, 10].

Рисунок 1.

Комплексное производство карбида кальция [8].

CaCO3 + тепло → CaO + CO2E1

CaO + 3C → CaC2 + COE2

Ацетилен имеет более высокую скорость пламени и более высокую плотность энергии, чем бензин и дизельное топливо [11], следовательно, ацетиленовые двигатели могут больше приблизиться к термодинамически идеальной эффективности цикла двигателя. Но октановое число ацетилена ниже, чем у других видов топлива, которые используются в двигателях внутреннего сгорания [12]. Поэтому максимальный расход ацетилена ограничивается началом детонации.Более низкая энергия воспламенения, высокая скорость пламени, широкие пределы воспламеняемости и более низкое октановое число приводят к преждевременному воспламенению и нежелательному явлению горения, называемому детонацией [13, 14]. Это основные проблемы, возникающие при использовании ацетилена в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

В двигателях SI ацетилен и бензин впрыскиваются либо во впускной коллектор, либо непосредственно в цилиндр, и смесь воспламеняется свечой зажигания в конце такта сжатия. В дизельных двигателях ацетилен либо всасывается вместе с всасываемым воздухом, либо впрыскивается непосредственно в цилиндр и сжимается.Однако смесь ацетилен-воздух не самовоспламеняется из-за очень высокой температуры самовоспламенения. Небольшое количество дизельного топлива, называемого пилотным топливом, впрыскивается в смесь в конце такта сжатия. Пилотное дизельное топливо автоматически воспламеняется первым и воспламеняет смесь ацетилена с воздухом, такую ​​как свеча зажигания. Таким образом, двухтопливные дизельные двигатели сочетают в себе черты двигателей SI и CI [15, 16, 17].

Основные преимущества использования ацетилена в качестве бензин-ацетиленовых смесей в двигателях SI [5, 18, 19, 20, 21]:

  • Смеси ацетилена и бензина могут использоваться в двигателях SI при любой нагрузке от низкой до полной. нагрузка.Однако его также можно использовать в качестве единственного топлива при частичных нагрузках.

  • Если ацетилен смешать с бензином в стехиометрических условиях, это приведет к снижению расхода бензина при постоянной выходной мощности, как показано в таблице 3. В то же время, как видно на рисунке 2, выбросы углеводородов были значительно сокращены. нагрузок и, как видно на Рисунке 3, выбросы NO снизились при полной нагрузке в соответствии с работой с бензином [18]. Экспериментальные исследования [18] проводились при 1500 об / мин и стехиометрическом соотношении в условиях 25, 50, 75% и полной нагрузки.Ацетилен впрыскивался во впускной коллектор испытательного двигателя через газовую форсунку 500 и расход газа 1000 г / ч.

  • Ацетилен увеличивает предел плохого сгорания при частичных нагрузках в двигателях SI. Двигатель может работать в обедненных условиях на бензино-ацетиленовых смесях. Как видно на рисунках 4 и 5, термический КПД двигателя увеличивается, а удельный расход топлива уменьшается. Кроме того, при высоких коэффициентах эквивалентности наблюдаются довольно низкие выбросы выхлопных газов.Выбросы NO практически отсутствуют, поскольку в обедненных топливно-воздушных смесях температура в цилиндрах снижается, а выбросы несгоревших углеводородов значительно снижаются по сравнению с работой на бензине в двигателях SI, как это видно на рисунках 6 и 7. С использованием ацетилена в качестве альтернативы. топлива в двигателях SI, загрязнение воздуха от автомобилей с двигателями SI в больших городах может быть значительно снижено [19].

  • Ацетилен работает в дизельных двигателях с двухтопливным режимом за счет небольшой модификации двигателя и при этом снижает выбросы NOx, HC, CO и CO 2 , способствуя значительному снижению расхода дизельного топлива [16].Ацетилен нельзя использовать в качестве единственного топлива в дизельных двигателях из-за высокой степени сжатия. В этом исследовании испытания проводились на четырехтактном дизельном двигателе с номинальной выходной мощностью 4,4 кВт при 1500 об / мин с небольшими изменениями во впускном коллекторе для крепления газового инжектора. Расход газа 110, 180 и 240 г / ч и оптимальное время впрыска устанавливались с помощью ЭБУ. В таблице 4 показано соотношение доли энергии дизельного топлива и ацетилена при расходе 240 г / ч [16].

  • В странах с большими запасами угля и небольшими запасами нефти или без них ацетилен может использоваться в автомобилях, которые составляют большую часть транспортных потоков.Таким образом можно уменьшить потребность страны в нефти.

Таблица 3.

Массовые потоки топлива, пиковое давление и опережение искры [18].

* 2 CA после верхней мертвой точки

Рисунок 2.

Разновидность HC с тормозным усилием (1500 об / мин, различные нагрузки) [18].

Рисунок 3.

Разновидность NO с тормозным усилием (1500 об / мин, разные нагрузки) [18].

Рисунок 4.

Вариация BTE с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Рисунок 5.

Вариация BSFC с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Рисунок 6.

Изменение NO в зависимости от коэффициента избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Рисунок 7.

Изменение UHC с коэффициентом избытка воздуха (1500 об / мин, нагрузка 25%) [19].

Нагрузка (%) Энергетический эквивалент дизельного топлива (кВт) Энергетический эквивалент ацетиленового топлива (кВт) Энергетическая доля газа (%) Энергетическая доля дизельного топлива ( %)
0 4.01 3,21 44 56
25 5,31 3,21 38 62
50 7,79 3,21 29 71
75 9,33 3,21 26 74
100 10,39 3,21 24 76

Таблица 4.

Соотношение доли энергии дизельного топлива и ацетилена при 240 г / ч [16].

Основные недостатки ацетилена как альтернативного моторного топлива [22, 23, 24, 25, 26]:

  • Ацетилен - очень взрывоопасный газ, чувствительный к давлению и температуре. По этой причине в транспортных средствах, которые используют ацетилен в качестве топлива, следует серьезно относиться к мерам безопасности, и их не следует парковать в закрытых помещениях.

  • Ацетилен - это топливо с очень низкой энергией воспламенения, которое может вызвать возгорание во впускном коллекторе.

  • Поскольку детонационная стойкость ацетилена низкая, во избежание детонации необходимо точно отрегулировать соотношение воздух-топливо.

  • Ацетилен может использоваться в качестве единственного топлива в двигателях SI только в условиях очень бедной топливовоздушной смеси. В очень обедненных условиях мы не можем получить от двигателя максимальную мощность.

  • Хранение ацетилена в автомобилях - нерешенная проблема. Поскольку ацетилен разлагается под давлением 2,5 бар, его нельзя хранить в виде сжатого газа, как другие газы. Ацетилен хранится растворенным в ацетоне, содержащемся в металлическом цилиндре с пористым наполнителем под давлением 18 бар.Когда баллоны с ацетиленом пусты, заполнение на месте невозможно. Поэтому разборка и монтаж цилиндра является серьезным недостатком. Несмотря на то, что баллоны из ацетилена изготавливаются разных размеров, они могут храниться 8,7 м 3 , имеют объем около 60 литров и средний вес (полный) 70 кг [27]. Эта ситуация вызывает большие трудности на практике.

  • Другой метод - это производство ацетилена из карбида, как в 1940-х годах, и использование его без хранения. Этот метод требует сложной системы, как показано на рисунке 1.Утилизация остатка, называемого гидроксидом кальция, является еще одной важной проблемой бортовой топливной системы.

3. Природный газ

Природный газ - это ископаемое топливо, обнаруженное в природных заповедниках, связанное или не связанное с нефтью [28]. Стоимость получения от природы ниже, чем у других ископаемых видов топлива. Природный газ состоит примерно на 90% из метана, 3% этана, 3% азота, 2% пропана и других газовых примесей. Метан, который всегда является доминирующим компонентом природного газа, является первым членом семейства алканов.Благодаря высокому соотношению H / C природный газ известен как самое чистое топливо из ископаемых видов топлива. Благодаря своим экологическим преимуществам во многих странах городские автобусы работают с двигателями, работающими на природном газе. Газ CO 2 , который обычно должен составлять от 180 до 280 частей на миллион в атмосфере, достиг 405 частей на миллион по состоянию на сентябрь 2018 года из-за чрезмерного использования ископаемого топлива [29]. Поэтому многие страны поощряют использование в транспортных средствах природного газа вместо бензина и дизельного топлива. Поскольку природный газ идеально смешивается с воздухом, он легко воспламеняется, обеспечивает чистое сгорание и дает большое количество тепла.Тепловой КПД двигателей, работающих на природном газе, выше, чем у бензиновых, так как эти двигатели имеют более высокую степень сжатия, чем бензиновые [28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35].

В отличие от бензиновых и дизельных двигателей, двигатели внутреннего сгорания, работающие на природном газе, не требуют обогащения топлива при холодном пуске, а выбросы выхлопных газов не зависят от низких температур. Транспортные средства, работающие на природном газе (NGV), производят выбросы ниже нормы EURO 6 в соответствии с транспортными средствами, использующими нефтяное топливо [30].

Согласно отчету NGV Global, количество газомоторных автомобилей и заправочных станций в мире быстро растет (Рисунки 8 и 9). По данным на 2018 год, Китай занимает первое место в парке газомоторных автомобилей с 6080000 автомобилей и 8400 заправочных станций. По количеству газомоторного топлива Иран, Индия и Пакистан идут после Китая. Общее количество газомоторных автомобилей на июнь 2018 г. достигло 26 130 000 [31].

Рисунок 8.

Количество автомобилей, работающих на природном газе в мире по годам [31].

Рисунок 9.

Количество газозаправочных станций в мире по годам [31].

Самый большой недостаток для сектора газомоторного транспорта связан с проблемой хранения природного газа. Природный газ легче воздуха. Хотя плотность воздуха на уровне моря при 15 ° C составляет 1,225 кг / м 3 , хотя плотность природного газа варьируется в зависимости от его состава, она составляет около 0,71 кг / м 3 . Поскольку природный газ является легким газом, плотность энергии на единицу объема невысока, и для обеспечения разумного расстояния перемещения объем хранилища следует выбирать большим.К счастью, технология развилась, и природный газ начал храниться в стальных или углеродных трубах под давлением 200 бар с помощью компрессоров высокого давления. Парковка автомобилей на природном газе в закрытых помещениях опасна из соображений безопасности. В настоящее время автомобили с двигателями, работающими на природном газе, имеют запас хода более 300 миль с одной заправкой. Кроме того, природный газ не является возобновляемым источником энергии, как другие ископаемые виды топлива [35, 36, 37].

Высокая детонационная стойкость природного газа позволяет использовать его в двигателях с более высокой степенью сжатия по сравнению с бензиновыми двигателями.Эксплуатация автомобилей, работающих на природном газе, при более высоких степенях сжатия, чем автомобили с бензиновым двигателем, увеличивает термический КПД. Как видно на Рисунке 10, при испытаниях, проведенных при различных степенях сжатия природного газа и смесей природного газа с водородом (HCNG), был получен минимальный расход топлива для степени сжатия 12,5. На рисунке 11 показано, что выбросы THC ниже стандартов Euro VI во всех степенях сжатия [30]. Эксперименты проводились на доработанном дизельном двигателе, имеющем 9.6, 12,5 и 15 различных степеней сжатия при 1500 об / мин в условиях полной нагрузки на смеси обогащенного водородом сжатого природного газа (100% CNG, 95% CNG + 5% H 2 , 90% CNG + 10% H 2 и 80% КПГ + 20% H 2 ). Характеристики двигателя и параметры выбросов были получены при опережения зажигания 10 ° CA BTDC и различных коэффициентах избытка воздуха (λ = 0,9–1,3).

Рис. 10.

Значения THC в зависимости от степени избытка воздуха с использованием различных степеней сжатия [30].

Рис. 11.

Значения BSFC в зависимости от степени избытка воздуха при различных степенях сжатия [30].

Значения NO X для λ = 1,0 и λ = 1,15 показаны в таблице 5. Как видно из таблицы, увеличение степени сжатия и значений доли водорода приводит к увеличению значений NO X .

CR H 2 (%) λ = 1,0 λ = 1,15
9.6 0 2000 3620
5 2100 3825
10 1710 4185
20 1535 4225
12,5 0 2040 4410
5 1940 4200
10 2260 4520
20 2210 4695
15 0 2045 4465
5 2570 4700
10 2660 4565
20 3030 4350

Таблица 5.

NO X значений (ppm) для λ = 1,0 и λ = 1,15 [30].

4. Этанол

Этанол обычно производится из возобновляемых источников, таких как биомасса и сельскохозяйственное сырье [38, 39]. Итак, этанол получил широкое распространение в качестве альтернативного топлива в двигателях внутреннего сгорания. Октановое число этанола выше, чем октановое число бензина. Высокое октановое число этанола позволяет использовать этанол в качестве топлива в двигателе SI с более высокой степенью сжатия [40].Скрытая теплота испарения этанола увеличивает охлаждающий эффект в цилиндре, эта ситуация приводит к увеличению объемного КПД [41]. Этанол горит чище, чем бензин и дизельное топливо, и производит меньше CO, CO 2 и NO x . Он имеет низкий коэффициент диффузии и трудность воспламенения при низкой температуре, поэтому сгорание не завершается при низкой температуре и содержание углеводородов увеличивается по сравнению с бензином при использовании этанола. Химический состав этанола: C 2 H 5 OH.Процент водорода в этаноле выше, чем в бензине.

Недавно природоохранные органы в крупных городских центрах выразили озабоченность по поводу истинного эффекта от использования смесей этанола, содержащих до 20% в используемых транспортных средствах без каких-либо изменений в настройке блока управления двигателем (ЭБУ), а также по поводу вариантов эти эффекты за годы эксплуатации этих автомобилей [40].

Чистый этанол можно использовать в двигателях внутреннего сгорания, но есть некоторые проблемы [42, 43, 44, 45].Вот эти проблемы;

  1. Этанол имеет низкую скорость пламени. Значит, у него плохая функция холодного пуска. Использование в качестве топлива в зимние месяцы затруднено.

  2. Легковых автомобилей, рассчитанных на 100% этанол, не существует. Использование чистого этанола может повредить двигатели. Даже двигатели, которые могут работать со смесями бензина и этанола, могут содержать до 85% этанола.

  3. Этанол - коррозионно-агрессивное топливо. Итак, материалы и поверхности деталей камеры сгорания, все пластмассы, контактирующие с топливом и системой впрыска топлива, должны быть улучшены.

5. Водород

Хотя водород является наиболее распространенным элементом в мире и не существует в природе в чистом виде, его необходимо производить из таких источников, как вода и природный газ. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится [46, 47].

Водород изучается как альтернативное газовое топливо в течение длительного времени. Водород не имеет некоторых проблем, связанных с жидким топливом, таких как паровая пробка, закалка с холодной стенкой, недостаточное испарение и бедное смешение.Водород имеет чистое горение. При сжигании водорода выделяется в основном вода. При сгорании водорода не выделяются токсичные продукты, такие как углеводороды, монооксид углерода и диоксид углерода [48]. Самым важным преимуществом водорода является то, что он не производит газа CO 2 , который является одним из наиболее важных источников глобального потепления. Кроме того, водород имеет более широкий предел воспламеняемости, чем бензин, дизельное топливо и природный газ [49, 50]. Кроме того, водород имеет высокую скорость пламени и высокую температуру самовоспламенения [51].Также водород легко может гореть в сверхбедных смесях [52]. Энергия, необходимая для воспламенения водородно-воздушной смеси, составляет всего 0,02 МДж. Поэтому он идеален для слабых смешанных ожогов [50]. Наконец, водород можно использовать при широких степенях сжатия в двигателях внутреннего сгорания, поскольку температура самовоспламенения водорода слишком высока [53]. Благодаря этим свойствам было проведено множество исследований по использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания [54, 55, 56].

Из-за низкой энергии, необходимой для воспламенения водорода, смесь немедленно воспламеняется при контакте с горячей точкой в ​​цилиндре.В результате может возникнуть детонация [56, 57]. Как видно из рисунка 12, еще одним недостатком водорода является его низкая плотность энергии [58]. Кроме того, образование выбросов NO X увеличивается при горении водорода из-за высокой температуры пламени [59, 60]. Увеличение NO X с водородом можно увидеть на Рисунке 13.

Рисунок 12.

Энергетическая плотность некоторых видов топлива [145].

Рис. 13.

Изменения NOX при разных оборотах двигателя (a) [61] и различной степени избытка воздуха (b) [62] при добавлении водорода к бензину.

Эксперименты, включенные в исследование, заправляемые чистым водородом и бензином [61], в которых был взят рисунок 13, проводились на четырехцилиндровом, четырехтактном двигателе SI с карбюратором, имеющем степень сжатия 8,8: 1. Момент зажигания был установлен на 10 ° перед верхней мертвой точкой (ВМТ). Двигатель работал в диапазоне частот от 2600 до 3800 об / мин. В экспериментальном исследовании [62] испытания проводились при частоте вращения двигателя 1400 об / мин, давлении воздуха в коллекторе 61,5 кПа, времени зажигания MBT и различных коэффициентах избытка воздуха (1.0–2,6). В этом исследовании, чтобы моделировать водород, мольное отношение водорода к кислороду было зафиксировано на уровне 2: 1 посредством регулировки продолжительности впрыска водорода и кислорода. Кроме того, в испытаниях были приняты три стандартные объемные доли кислорода в общем поступающем газе, равные 0, 2 и 4%.

6. Водородная смесь

Поскольку водород оказывает негативное воздействие на двигатель внутреннего сгорания, он используется в виде смеси, а не в чистом виде. Наиболее распространенная водородная смесь - HCNG. Смесь образована смешением природного газа.Смеси природного газа и водорода (HCNG), которые считаются альтернативным топливом для обычных двигателей, представляют собой смеси, созданные для объединения превосходных свойств природного газа и водорода. Существует множество исследований [63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70] с использованием HCNG в качестве альтернативного топлива.

Как видно на Рисунке 14, добавление водорода вызывает увеличение теплового КПД и вызывает расширение пределов воспламеняемости. Кроме того, при рассмотрении цифр видно, что добавление водорода увеличивает стабильность горения и значение тормозной мощности, а также снижает удельный расход топлива.

Рисунок 14.
Значения

BTE, COV, мощности и BSFC в зависимости от соотношения эквивалентности при 2200 об / мин, 50% WOT с синхронизацией MBT и разным процентным содержанием водорода [69].

Кроме того, как видно на Рисунке 15, добавление водорода к природному газу приводит к снижению выбросов CO и HC и увеличению значений NO X . В экспериментальном исследовании, на котором был взят рисунок 15, эксперименты проводились при 2000, 2400 и 2800 об / мин с широко открытой дроссельной заслонкой и изменением степени эквивалентности.Двигатель с одноцилиндровым двигателем, имеющий степень сжатия 7,25: 1, работал на сжатом природном газе, а смеси водорода в КПГ составляли 5, 10, 15 и 20% энергии.

Рис. 15.

Значения выбросов в зависимости от коэффициента эквивалентности при 2000 об / мин (a), 2400 об / мин (b) и 2800 об / мин (c) и при различных расходах водорода [70].

Другой смесью, полученной с использованием водорода, является смесь этанола и водорода. В литературе можно найти множество исследований по использованию водорода и этанола в двигателях внутреннего сгорания [71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85].

В экспериментальном исследовании [85], в котором был взят рисунок 16, эксперименты проводились на двигателе с воспламенением от сжатия, модифицированном для работы в режиме искрового зажигания, работающем на двухтопливной комбинации водород-этанол с различным процентным содержанием водорода (0– 80%) в условиях степени сжатия 7: 1, 9: 1 и 11: 1 путем изменения момента зажигания искры при постоянной скорости 1500 об / мин.

Рис. 16.

Изменения BSFC в зависимости от времени воспламенения при степенях сжатия 7: 1 и 11: 1 для различных смесей этанола и водорода [85].

В исследовании, проведенном со смесью водород-ацетилен, Sampath Kumar et al. [86] были исследованы характеристики и поведение выбросов двигателя SI, работающего на водородно-ацетиленовом топливе. Результаты показали, что термический КПД тормозов увеличился, а значения выбросов снизились по сравнению с бензином.

В другом исследовании Tangöz et al. [87] были проанализированы характеристики и выбросы двигателя SI, работающего на ацетилен-водороде при фиксированном значении BMEP, равном 2.095 бар, нагрузка 30 Нм и частота вращения двигателя 1500 об / мин в условиях обедненной смеси (λ = 1,3–2,8). Как видно из рисунков 17 и 18, экспериментальные результаты показали, что значения удельного расхода топлива снижаются между 18,5 и 20,1% за счет добавления водорода в смесь. Значения термического КПД тормозов снижаются от 6,2 до 3,3% при добавлении водорода в смесь. Кривые давления в цилиндре и скорости тепловыделения продвигаются в верхнюю мертвую точку за счет добавления водорода к ацетилену.Добавление водорода в ацетилен приводит к уменьшению выбросов CO и HC и увеличению значений NO X для фиксированной лямбды.

Рис. 17.

Значения SFC и BTE в зависимости от различных фракций водорода [87].

Рис. 18.

Выбросы CO и HC в зависимости от различных долей водорода [87].

7. Альтернативные виды топлива для новых применений ДВС

Сегодня одной из наиболее важных проблем при использовании двигателей внутреннего сгорания является производство вредных выхлопных газов.По этой причине было проведено множество исследований по снижению выбросов при сохранении рабочих характеристик двигателя с помощью новых приложений ICE, таких как HCCI, RCCI, PCCI и PPC. Более того, с целью сокращения выбросов некоторые из этих исследований были сосредоточены на использовании альтернативных видов топлива. В новых двигателях есть процесс, в котором гомогенная смесь воздуха и топлива сжимается в условиях, когда самовоспламенение происходит ближе к концу такта сжатия, за которым следует сгорание, которое значительно быстрее, чем сгорание обычного дизельного топлива или топлива Отто. .Самовоспламенение и фазировка сгорания в цилиндре регулируются расслоением смеси и синхронизацией впрыска топлива [88, 89, 90, 91, 92, 93]. Применение этих двигателей по сравнению с обычными двигателями позволяет снизить выбросы оксидов азота и сажи и достичь более высокого теплового КПД [94, 95, 96, 97, 98]. Однако в этих двигателях очень сложно управлять автоматическим зажиганием. Было проведено множество исследований для управления процессом самовоспламенения в двигателях с использованием альтернативных видов топлива, имеющих высокую температуру самовоспламенения, низкую реактивность или высокое октановое число.

Одним из наиболее важных новых приложений ДВС является воспламенение от сжатия однородного заряда (HCCI). Для управления процессом самовоспламенения в двигателе HCCI в качестве альтернативного топлива используются некоторые виды топлива с высокой температурой самовоспламенения. При рассмотрении этих исследований видно, что исследования были сосредоточены на природном газе [99, 100, 101, 102, 103, 104], этаноле [105, 106, 107, 108], ацетилене [109, 110, 111, 112, 113, 114] и водород [115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122]. Воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI), воспламенение от сжатия с предварительным смешиванием заряда (PCCI) и сгорание с частичным предварительным смешиванием (PPC) являются другими новыми приложениями ДВС.В двигателях топливо с низкой реакционной способностью вводится из порта впрыска для образования гомогенной смеси в цилиндре, а топливо с высоким цетановым числом впрыскивается непосредственно в цилиндр для управления фазированием и продолжительностью сгорания. Топливо с высоким октановым числом или низкой реакционной способностью с устойчивостью к самовозгоранию более благоприятно для горения RCCI, PCCI и PPC. По этой причине большинство исследований двигателей RCCI, PCCI и PPC сосредоточено на природном газе [89, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133] и этаноле [ 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 144] в качестве альтернативного топлива.

В результате было обнаружено, что рабочие параметры, такие как тип топлива, состав топлива, соотношение воздух-топливо и температура на входе, значительно влияют на рабочий режим новых приложений ДВС. Однако считается, что полная структура для каждого режима приложения ICE не была предоставлена. Более того, несмотря на значительное сокращение выбросов NO X и сажи в приложениях, работающих на альтернативных видах топлива, образование значительных количеств выбросов HC и CO по-прежнему остается проблематичным.

8. Заключение

Ацетилен обладает некоторыми подходящими свойствами, такими как высокая плотность энергии, высокая температура пламени, высокая скорость пламени и низкий уровень выбросов. По этой причине считается, что в будущем можно будет использовать важное топливо или альтернативное топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он увеличивает термический КПД тормозов и способствует снижению расхода топлива и всех значений выбросов. Однако следует провести некоторые исследования для повышения ударопрочности ацетилена.Более того, для использования ацетилена в качестве альтернативного топлива в транспортных средствах необходимо разработать эффективные методы производства и новые методы хранения. Наконец, чтобы определить, является ли ацетилен экономичным или нет, необходимо провести анализ до резервуара.

При рассмотрении современных приложений становится очевидным, что топливо из природного газа является подходящим топливом, особенно для двигателей SI, имеющих высокую степень сжатия из-за высокой детонационной стойкости. Эксплуатация автомобилей, работающих на природном газе, при более высоких степенях сжатия, чем автомобили с бензиновым двигателем, снижает BSFC.С другой стороны, природный газ, наиболее чистое ископаемое топливо из-за высокого отношения H / C, обеспечивает большее сокращение выбросов THC, чем стандарт Euro VI, при соблюдении подходящей степени сжатия. Однако, чтобы его можно было использовать во всех двигателях, необходимо устранить проблему хранения. Кроме того, необходимо провести исследования по увеличению плотности энергии.

Этанол имеет высокое октановое число. Однако он дороже ископаемого топлива и имеет коррозионные свойства. Кроме того, даже двигатели, которые могут работать со смесями бензин-этанол, могут содержать до 85% этанола.Этанол можно смешивать с другим альтернативным топливом для повышения плотности энергии. Этанол горит чище, чем бензин и дизельное топливо, и производит меньше CO, CO 2 и NO x , но содержание HC увеличивается из-за его низкого коэффициента диффузии и трудности воспламенения при низкой температуре.

Водород - это чистое топливо с очень высокой удельной массой энергии. Характеристики быстрого горения водорода позволяют работать двигателю на высоких оборотах, и для водорода возникают меньшие тепловые потери, чем для бензина. NO x Выбросы двигателя, работающего на водороде, примерно в 10 раз ниже, чем у двигателя, работающего на бензине, если он работает в обедненных условиях.Поскольку водород имеет некоторые недостатки, такие как очень низкая энергия зажигания и объемная плотность энергии, он смешивается с другими видами топлива, особенно с природным газом, для использования в двигателях SI.

Необходимо провести интенсивные исследования, такие как использование водорода в жидком состоянии, чтобы решить проблемы хранения, чтобы достичь желаемого уровня использования в двигателях внутреннего сгорания. Кроме того, следует изучить методы или смеси, которые уменьшают образование NO x .

Несмотря на значительное сокращение выбросов NO X и сажи в новых приложениях ДВС, таких как HCCI, RCCI, PCCI и PPC, работающих на альтернативных топливах, образование значительных объемов выбросов HC и CO все еще остается проблематичным.

Следовательно, каждое топливо имеет положительные и отрицательные свойства для использования в двигателях внутреннего сгорания. Существуют различия во влиянии каждого альтернативного топлива на выбросы и работу двигателя. Дальнейшие исследования могут быть выполнены для получения подходящего гибридного топлива путем сравнения этих альтернативных видов топлива для уменьшения всех выбросов и улучшения характеристик двигателя.

Сокращения

BMEP Среднее эффективное давление тормоза
BSFC Удельный расход топлива тормоза
BTE Тепловой КПД тормоза
CA BTDC Угол поворота коленвала до верхней мертвой точки
CI Двигатель с воспламенением от сжатия
COV Коэффициент вариации
CR Степень сжатия
EU Европейский Союз
HCNG смеси природного газа и водорода
ДВС Двигатель внутреннего сгорания
MBT Максимальный тормозной момент
NGV Газовые автомобили
SI Искровое зажигание
WOT широко открытая дроссельная заслонка
WTT колодец к резервуару
.

Двигатель внутреннего сгорания


2

Четкое представление о том, как образуются оксиды азота

12 марта 2018 г. - На протяжении десятилетий исследователи внутреннего сгорания и производители двигателей пытались понять, как эти газы образуются при сгорании, чтобы найти способы их уменьшения. Теперь у исследователей есть ...


Простой экономичный ракетный двигатель может сделать более дешевый и легкий космический корабль

Февраль18, 2020 - Исследователи разработали математическую модель, описывающую, как вращаются детонационные двигатели ...


Под давлением, нетоксичный солевой пропеллент дает хорошие результаты

18 августа 2020 г. - В небольших космических аппаратах, таких как спутники CubeSat, перспективным является монотопливо на основе соли. Он может использоваться как в химических силовых установках большой тяги для быстрых, чувствительных ко времени маневров, так и ...


Новые клапанные технологии обещают более дешевые и экологичные двигатели

Мар.21 ноября 2018 г. - Новые технологии надежно и по доступной цене повышают эффективность двигателей внутреннего сгорания более чем на 10 процентов. Запатентованная система открытия и закрытия клапанов позволила значительно снизить ...


Вид изнутри сверхзвукового горения

15 марта 2018 г. - В сверхзвуковых двигателях сложно достичь нужной скорости потока, произвести нужное соотношение испарившегося топлива и вызвать воспламенение в нужное время. На вихри действует ударная волна, и...


Революционная новая ракетная двигательная установка

30 апреля 2020 г. - Исследователи разработали новую усовершенствованную ракетно-двигательную установку, которая когда-то считалась невозможной. Эта система, известная как вращающийся детонационный ракетный двигатель, позволит запускать в космос разгонные ракеты ...


Научное машинное обучение открывает путь для разработки быстрых ракетных двигателей

16 апреля 2020 г. - Исследователи разрабатывают более быструю методику моделирования, позволяющую конструкторам ракетных двигателей проверить производительность в различных условиях...


Инновационный клапанный механизм экономит 20% топлива

19 августа 2019 г. - Ученые разработали инновационную систему клапанов с электрогидравлическим приводом для двигателей внутреннего сгорания, которая позволяет полностью свободно регулировать ход и время, в то же время ...


Почему импульсные искры способствуют лучшему зажиганию

16 июля 2018 г. - Исследователи изучили механизмы, лежащие в основе средств улучшенного зажигания, помогающих открыть дверь к повышению производительности во всех типах сгорания...


Максимизация экологических преимуществ автономных транспортных средств

15 февраля 2018 г. - Дополнительный вес, потребность в электроэнергии и аэродинамическое сопротивление датчиков и компьютеров, используемых в автономных транспортных средствах, вносят значительный вклад в их жизненное потребление энергии и выбросы парниковых газов ...


.

Смотрите также