Plynový motor

Plynový motor je spalovací motor, který využívá plyn jako palivo .

Dějiny

XIX th century

Ve svém patentu 1799 , Lebon předpověděl, že jeho „vodík“ ( dřevoplyn , který lze předpokládat, že obsahují alespoň 50% dihydrogenfosforečnan ) by byl „síla použitelná pro všechny typy strojů.“ Plyn uhlí vynalezl William Murdoch zároveň, se nazývá „plyn uhlík-vodík“ a osvětlení plyn ( „plyn světlo“, viz také svítiplyn a vyrobeného plynu ) a obsahuje 50% dihydrogenfosforečnan , 32% methanu , 8% z oxidu uhelnatého .

Od roku 1804 postavil François Isaac de Rivaz první plynové motory využívající uhelný plyn . Inspiroval ho provoz pistole Volta k výrobě prvního spalovacího motoru, na který získal patent.30. ledna 1807.

The 12. června 1854„Italský vynálezce Eugenio Barsanti popisuje princip spalovacího motoru a spolu s Felice Matteucci (v) staví první funkční prototyp plynového motoru, v němž Barsanti-Matteucci (v) běží na plyn z osvětlení. Pro masovou výrobu si vybrali ocelářskou společnost John Cockerill . Barsanti odešel do sídla společnosti v Seraingu ( Belgie ), ale najednou tam zemřel na tyfus30. května 1864. Matteucci opouští projekt .

V roce 1858 , Pierre Hugon podané francouzský patent č 210-212: „ve vztahu k výkonu motoru výbuchem plynu / směsi vzduchu“, je vynálezce motoru Hugon, motor s vnitřním spalováním. Jedná se o stacionární motor používaný jako výrobní nástroj, nikoli jako pohonný nástroj.

V roce 1859 , Etienne Lenoir podal „patent pro plyn a vzduch rozšířené motoru “, což je dvoudobého spalovacího motoru , odvozené z parního stroje , který využívá svítiplyn . Za ním následuje benzínový motor.

V roce 1867 Nikolaus Otto stále používal osvětlovací plyn ve čtyřmetrovém plynovém motoru, který vyvinul výkon 3 koňské síly . Za tento motor získal zlatou medaili za plynové motory na Světové výstavě v Paříži v roce 1867 . Velcí výrobci automobilů, Deutz AG , Daimler AG , Mercedes-Benz a BMW, jsou zavázáni inovacemi plynového motoru, které tento motor přinesl, a vytvořením „Gasmotoren-Fabrik Deutz AG“ ( Deutz AG ) založeného Otto v roce 1872 .

Plynový motor soutěží s párou o vyšší a vyšší výkon a nakonec jej nahradí. Investuje do továren, kde může být zásobován plynem z koksoven (bohatý plyn) nebo vysokopecním plynem (chudý plyn), kde může provozovat dmychadla a dynama. Vysokopecní plyn je však špatný, obtížně vznětlivý a naplněný prachem.

The 12. února 1884Francouz, Édouard Delamare-Deboutteville, podal první patent na automobil. Jedná se o dopravní vozidlo vyvinuté v roce 1883 s pomocí Léona Malandina : vybavené předním lavicovým sedadlem a zadní plošinou, je vybaveno čtyřmi koly, dvouválcovým motorem. Vodorovně běží na ropný plyn , převodovka vzadu kola řetězem, kloubovým hřídelem a diferenciálem. V roce 1895 byl do Cockerillu dodán motor Delamare-Deboutteville a Malendrin o výkonu 4 hp , poté upravený tak, aby mohl produkovat 8 koní .

V roce 1886 , Gottlieb Daimler patentoval první čtyřtaktní spalovací zážehový motor a navrhl první čtyři kola motorového vozidla.

V roce 1895 získal Cockerill práva na plynový motor od Édouard Delamare-Deboutteville .

Od roku 1897 nafta konkuruje benzinu s naftovým motorem , vynálezem Rudolph Diesel (1958-1913). Pára, která byla sesazena z trůnu, se také silně vrací s parními turbínami .

The 5. července 1889, společnost John Cockerill v Seraingu , která upřednostňovala zdokonalení stávajících modelů, získala monopol na výrobu svého motoru „Simplex“, o kterém se v době aplikací hodně diskutovalo, a to jak na spalovací plyn, tak na plyn nejrůznější, jako je dřevo plyn , nafta plyn , atd. Experimenty prováděné v Cockerillu na plynech vysoké pece ukazují, že při stejném výkonu spotřebuje plynový motor 10krát méně než kotel dodávající nejsofistikovanější parní stroj . V roce 1898 vyrobil Cockerill jednoválcový motor o výkonu 200 hp .

V roce 1899 se jedná o foukací stroj o hmotnosti 158 tun s jediným válcem o výkonu 600 koňských sil, který získal hlavní cenu na světové výstavě v Paříži v roce 1900 .

V roce 1920 měla továrna tři elektrárny o výkonu 35 000 kW s distribucí 162 milionů kWh, které vyráběly plynové generátory o výkonu 5 200 kW . Na univerzální výstavě v Lutychu v roce 1905 byl vystaven stroj o výkonu 1 500 hp . Tře se o parní stroje , parní turbíny a naftové motory .

XX th century

Kolem roku 1920 Georges Imbert vynalezl zplynovač na dřevo , který se v Evropě široce používá, dokud se ropa nestane ekonomičtější. Zplynovače, přímí potomci Lebonových termolamp, osvobozují plynový motor od závislosti plynového zařízení. Během druhé světové války , kdy Německo převzalo většinu benzínu a veškerého uhlí, byly po stranách dodávek namontovány zplynovače .

Myšlenka použití plynu v motorech se vrátila v platnost od roku 1970 ( zejména vodíkový motor ). Kjótský protokol , podepsané dne11. prosince 1997, si klade za cíl snížit emise skleníkových plynů včetně oxidu uhličitého , dává nové opodstatnění pro hledání alternativních paliv, včetně vodíku, a pro výrobce automobilů, mezi nimiž je výroba čistých vozidel, mezi něž patří i vodíkové vozidlo .

XXI th century

BMW Hydrogen 7 , poprvé představen na Los Angeles Auto Show v listopadu 2006 , by byl první sériově vyráběný automobil běží na vodík.

Teoretické plynové motory

Existují dva teoretické plynové motory :

spalovací motor ( cyklus Otto nebo Beau de Rochas)
Jouleův cyklus proudových motorů a tento zkrácený cyklus: Dieselův cyklus .

Otto cyklus

Plyn je nasáván vstupními ventily do a (již ve směsi s benzínovými parami dodávanými karburátorem nebo injekční jehlou): objem se mění od do ( nazývá se výtlak; poměr komprese ). ${\ displaystyle T = T_ {0}}$ ${\ displaystyle P = P_ {0}}$ $V_ {1}$ $V_ {2}$ ${\ displaystyle V_ {2} -V_ {1}}$ ${\ frac {V_ {2}} {V_ {1}}}$ $na$

Od tohoto stavu se ventily zavírají a píst stlačuje (adiabaticky) plyn na , kde je tlak a teplota . $B$ $V_ {1}$ ${\ displaystyle P_ {c}}$ $T_ {c}$

Poté spustíme elektrickou jiskru mezi dvěma svorkami zapalovací svíčky. Při konstantním objemu dochází k explozi a veškeré teplo chemické reakce se používá ke zvýšení teploty plynu na velmi vysokou hodnotu a tlak se velmi zvýší : právě ten prudce tlačí píst: je čas motoru; ten, který otáčí ojnicí , pak klikou klikového hřídele . To až do tlaku . $V_ {1}$ $Q_ {1}$ $T_ {d}$ ${\ displaystyle P_ {d}}$ $V_ {2}$ $P_e$

Výfukové ventily se otevřou, tlak poklesne , vrátí se do stavu ; píst vytlačuje spálené plyny z motoru do výfukového potrubí: konec cyklu. $P_ {0}$ $B$

Existují 2 vypínací a zpětné chody, tj. 4krát, z nichž pouze jeden je motor: potřeba setrvačníku (a často 4 válců nastavených na 180 ° ( 2 x 360 '/ 4) na druhém, tvarovým klikovým hřídelem).

Je dobře vidět, že cyklus je motorický, protože horký plyn je uvolněný a studený plyn je stlačen :

Plyn ze státního C do stavu D: podstatou spalného tepla, která zvýší teplotu na : . $Q_ {1}$ $T_ {c}$ $T_ {d}$ ${\ displaystyle Q_ {1} = C. (T_ {d} -T_ {c})}$

Ze stavu do stavu : plyny jsou při evakuaci horké. $E$ $NA$ ${\ displaystyle Q_ {2} = C. (T_ {e} -T_ {b}) <0}$

Samozřejmě je to cyklus: ${\ displaystyle W + Q1 + Q2 = 0}$

Výtěžek je tedy (protože to ukážeme dvojím uplatněním Laplaceova zákona během dvou adiabatických fází); uplatněním Laplaceova zákona mezi a , ${\ displaystyle r = - {\ frac {W} {Q-1}} = 1 + {\ frac {Q_ {2}} {Q_ {1}}} = 1 - {\ frac {(T_ {e} - T_ {b})} {(T_ {d} -T_ {c})}} = 1 - {\ frac {T_ {b}} {T_ {c}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {T_ {e}} {T_ {d}}} = {\ frac {T_ {b}} {T_ {c}}}}$ $B$ $VS$

{\ displaystyle \ mathrm {r = 1 - {\ frac {T_ {b}} {T_ {c}}} = 1 - {\ frac {1} {(a ^ {\ gamma -1})}}}}

Digitální aplikace:

${\ displaystyle P_ {b} = 1 {\ text {bar; }} T_ {b} = 300 {\ text {K; }} \ gamma = {\ frac {7} {5}}}$ a ${\ displaystyle a = 8}$
${\ displaystyle P_ {c} = 18 {,} 4 {\ text {bary,}} T_ {c} = 690 {\ text {K:}} r = 56,5 \%}$
${\ displaystyle Q_ {1} = 1800 {\ text {kJ / kg}}}$ s nadmořskou výškou ${\ displaystyle C = 0 {,} 72}$ ${\ displaystyle T_ {d} -T_ {c} = 2500 {\ text {K}}}$
${\ displaystyle P_ {d} = 4 {,} 62 * P_ {c} = 85 {\ text {pruhy a}} T_ {d} = 3190 {\ text {K}}}$

Relaxace dává ${\ displaystyle Te = 4 {,} 62 * 300 = 1390 {\ text {K}}}$

Ztrácíme výfuk , což je obrovské plýtvání a pokusíme se jej znovu použít. ${\ displaystyle Q_ {2} = - 785 {\ text {kJ / kg}}}$

Recenze digitální aplikace:

Nechodíme až na 85 barů a ne : při zapálení jiskry dojde k mírnému posunu. Detonace není okamžitá, proto není zcela izochorická; gama není při takové vysoké teplotě konstantní a ZVLÁŠTNĚ existují chemické reakce mezi N 2 a O 2 vedoucí ke slavným znečišťujícím látkám NO x , které jsou v nejlepším případě odpovědné za zničení katalyzátorů. ${\ displaystyle \ scriptstyle {T_ {d} = 3190 {\ text {K}}}}$

Na druhou stranu experimentálně takové výnosy nepozorujeme, ale spíše: 40%. A s přihlédnutím k mechanickým částem, v konečném důsledku spíše 35% pro dobře vyladěné auto. U průmyslového motoru o výkonu několika MW vybaveného turbodmychadly pak mohou výtěžky dosáhnout hodnoty 45% čisté hodnoty.

Kompresi a nelze dále zvýšit, protože : vzduch naplněný benzínovými výpary exploduje, pokud není použito antidetonační činidlo (dříve tetraethyl olovo a nyní aromatické sloučeniny v bezolovnatém benzínu), kvůli znečištění dálničních výsadeb); To bude velká výhoda nafty, pro kterou stlačujeme pouze vzduch: kompresní poměr bude moci být větší. ${\ displaystyle \ scriptstyle {P_ {c} = 18 {\ text {bary et}} T_ {c} = 690 {\ text {K}}}}$

Jouleův cyklus

Jouleův cyklus zahrnuje 4krát:

reverzibilní adiabatická komprese ${\ displaystyle \ scriptstyle P_ {1} {\ text {to}} P_ {2}}$
reverzibilní izobarická transformace ${\ displaystyle \ scriptstyle V_ {2} {\ text {to}} V_ {3} (V_ {3}> V_ {2})}$
reverzibilní adiabatické uvolnění tlaku ${\ displaystyle \ scriptstyle P_ {2} {\ text {to}} P_ {1}}$
reverzibilní izobarická transformace ${\ displaystyle \ scriptstyle V_ {4} {\ text {to}} V_ {1}}$

Je poměrně snadné dosáhnout teoretického výtěžku

{\ displaystyle \ scriptstyle {r = - {\ frac {W} {Q}} = 1 \ vlevo ({\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} \ vpravo) ^ {0 {,} 4}}}

Pro :

a = 16,
r = 67%

Zkrácený Jouleův cyklus: Dieselův cyklus

Ze stavu B do stavu C: idem, ale komprese V2 / V1 = a je větší ~ 16.

Topný olej je však vstřikován konstantním tlakem přes hořáky.

Se stejným Q1 = 1800 kJ / kg, elevace Td-Tc 2500/ 1 / 4 = 1745 K

Td = 2645 K. Potom horký plyn adiabaticky expanduje pouze na objem V2 (stav E): Jouleův cyklus je zkrácen: Ze stavu E (při Te = 1380 K jsou otevřené výfukové ventily a Q2 = - 780 kJ / kg je povolen únik . Práce je tedy W = - 1 020 kJ / kg, proto výtěžek r = -W / Q1 = 56,7%

Kritika výsledků: účinnost není tak vysoká, ale tlak zůstává pod 48,5 barů, technologie je lépe pochopena, zejména proto, že zlepšení vstřikovačů. Celkově je však motor těžší, snímače méně dobré; ale topný olej je levnější hlavně kvůli nižším daním než u jiných paliv, ale tato daňová výhoda mizí, mimo jiné ve Francii.

Výsledkem je, že existuje jen málo naftových motocyklů a kamiony bývají vybaveny naftou. Ale technický pokrok soutěží a cena benzínu je hlavně kvůli daním, je obtížné tyto dvě techniky srovnávat.

Poznámky a odkazy

Poznámky

způsob, jak se obejít bez základního výzkumu

Reference

Louis Figuier . The Wonders of Science nebo Populární popis moderních vynálezů Google eBook
(in) „ Hugon, Pierre (1814 -?) “ O digitálním mechanismu a knihovně převodů
Hlavní etapy hospodářské historie: přehodnocení minulosti k pochopení současnosti a předvídání budoucnosti Cover Yves Carsalade Ecole Polytechnique, 2002
Automobile Delamare-Deboutteville , na universalis.fr
Robert Halleux. Cockerill. Dvě století technologie. Editions du Perron. 2002
Christine Renardy Liège a Světová výstava z roku 1905, Renaissance Du Livre, 2005
TMAVÉ ZAČÁTKY SVĚTELNÉHO PLYNU na webu pagesperso-orange.fr
BMW Hydrogen 7, první sériově vyráběný vůz poháněný vodíkem na webových stránkách enginenature.com
Cena nafty na konci roku 2018 dražší než benzín! , na rance-inflation.com ze dne 18. ledna 2019, konzultováno 22. ledna 2019

Podívejte se také

Související články