Двигатель будущего: Двигатели будущего — гиперзвуковой британский SABRE без топлива, ракетный RS-25E NASA, разработка американских ВВС для беспилотников, принцип их действия

Мэтт Уилкинсон

• Герцог Боксфорд (Великобритания)
• (голос)
• (некредитован)

• Режиссер
  • Dianna Basso
• Writers
  • Andrew Brenne
  • Бритт Олкрофт
• Все актеры и съемочная группа
• Производство, кассовые сборы и многое другое на IMDbPro

Сюжетная линия

Отзывы пользователей

Будьте первым, кто оставит отзыв

Подробная информация

Технические спецификации

• Время выполнения

  11 минут

Связанные новости

Внесли свой вклад в эту страницу

Предложите редактирование или добавление пропущенного контента

Подробнее.

нет недавно просмотренных страниц

Двигатели будущего — ASME

За последние несколько лет автомобильный транспорт добился значительных успехов в том, что считается альтернативными технологиями. Накопление энергии, системы электропривода и технология топливных элементов, кажется, готовы занять значительное место на автомобильном рынке.

Но было бы ошибкой полагать, что такие технологии полностью отметут то, что было раньше. Вместо этого двигатель внутреннего сгорания в обозримом будущем останется неотъемлемой частью перевозки людей и грузов.

Это не значит, что все останется так, как сейчас. Двигатель претерпевает значительную эволюцию, поскольку новые стандарты экономии топлива и выбросов в секторах легких и тяжелых грузов подталкивают развитие новых технологий в беспрецедентных масштабах к теоретическим пределам работы двигателя. В сочетании с продолжающимися исследованиями фундаментальных процессов двигателей, внедрением доступных высокопроизводительных вычислений и внедрением передовых производственных технологий во всей отрасли эти новые технологии открывают потенциально революционные возможности для внедрения двигателей с необычайно высокой эффективностью. То, как эти новые двигатели работают и как они будут интегрированы в новую архитектуру транспортных средств, станет историей личной мобильности в этой половине 21-го века.

Со своей должности в Национальной лаборатории Ок-Ридж я смог увидеть пересечение открытия знаний, разработки передовых технологий двигателей и транспортных средств и использования уникальных вычислительных ресурсов. Хотя общественность склонна считать исследования автомобилей и двигателей чисто частным делом, мои коллеги и я в ORNL помогаем реализовать весь потенциал эффективности двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания претерпел значительные изменения за последнее столетие. До 1970 эволюция конструкции двигателя была обусловлена ​​стремлением к повышению производительности и увеличению октанового числа в топливе. С тех пор, однако, императивом стала необходимость соблюдения новых норм выбросов и экономии топлива.

Виталий Приходько из отдела исследования топлива, двигателей и выбросов ORNL, изучающего передовые катализаторы, которые используются для снижения загрязнения окружающей среды транспортными средствами. Изображение: ORNL

Эффективность двигателя внутреннего сгорания исторически ограничивалась скорее уровнем технологий, чем инновациями. Например, потенциал таких технологий, как прямой впрыск бензина, был известен и был опробован в производстве более 50 лет назад, но прямой впрыск стал широко доступен в производстве только в последнее десятилетие и в настоящее время составляет примерно 38 процентов новых легковых автомобилей. продажа служебных автомобилей. Другим примером являются режимы низкотемпературного сгорания, такие как воспламенение от сжатия гомогенного заряда, при котором топливо и воздух впрыскиваются во время такта впуска, а затем сжимаются до тех пор, пока вся смесь не начнет спонтанно реагировать, которые были продемонстрированы в лаборатории более 30 лет назад, но сейчас еще много лет до выхода на рынок.

Достижения последних лет, которые меняют правила игры, связаны с усовершенствованием технологий двигателей, датчиков и встроенной вычислительной мощности. Эта комбинация технологий обеспечит беспрецедентный контроль над процессом сгорания, что, в свою очередь, позволит реализовать в реальных условиях низкотемпературное сгорание и другие передовые стратегии, а также повысить надежность и топливную гибкость. На самом деле технологические достижения стирают наше историческое различие между двигателями с искровым зажиганием и двигателями с воспламенением от сжатия; мы увидим новые концепции двигателей, которые сочетают в себе лучшие характеристики обоих типов двигателей, чтобы расширить границы эффективности и соответствовать строгим мировым нормам по выбросам.

Стремление к созданию двигателей с более высоким КПД изменит температуру и химический состав выхлопных газов и может создать проблемы для технологий контроля выбросов.

Например, новые двигатели с более высоким КПД будут иметь более низкую температуру выхлопных газов из-за более эффективного отбора работы поршнем. Более низкие температуры отработавших газов, в свою очередь, потребуют разработки новых технологий контроля выбросов, которые должны быть не только эффективными при низких температурах, но и выдерживать высокие температуры отработавших газов в условиях высокой нагрузки.

;пользовательский разрыв страницы;

Даже самые эффективные и надежные двигатели никогда не появятся на рынке, если система транспортного средства не будет соответствовать нормам выбросов. Но это не первый случай, когда для перехода технологии сжигания на рынок потребовались значительные достижения в области контроля выбросов. Достижения в области каталитических технологий более 40 лет назад имели решающее значение для соблюдения новых норм выбросов; эффективность катализаторов для обычных двигателей с искровым зажиганием с тех пор улучшилась в 100 раз, при этом удалось добиться существенного сокращения дорогостоящих металлов платиновой группы. Решение новых задач является очень активной областью исследований в ORNL и других национальных лабораториях Министерства энергетики США, а также в промышленности.

Процессы низкотемпературного сжигания представляют значительный интерес благодаря очень высокому тепловому КПД при значительном снижении содержания загрязняющих веществ по многим критериям. Как упоминалось выше, LTC был проблемой из-за состояния технологии: в отличие от обычных режимов сгорания с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия, большинство режимов LTC контролируются кинетическим путем и, следовательно, гораздо более чувствительны к условиям окружающей среды и постоянно меняющимся требованиям скорости / нагрузки. . Недавние достижения в таких передовых технологиях, как системы впрыска топлива, турбомашины, срабатывание клапанов, датчики и бортовые компьютеры, привели к новым возможностям управления в режиме реального времени, которые раскрывают потенциал двигателей LTC с пригодным для производства оборудованием.

Стеклянные капилляры диаметром порядка человеческого волоса позволяют проводить отбор проб загрязнителей выхлопных газов внутри проточных каналов каталитических нейтрализаторов (слева), что дает критическое представление о химическом процессе для всего устройства (ниже). Фото: ORNL

Горение бензина с воспламенением от сжатия — это усовершенствованный режим горения, которому в последние годы уделяется значительное внимание. Хотя сжигание GCI не является новой концепцией, она эволюционировала за последние несколько десятилетий по мере совершенствования технологий. Ранее исследования GCI были сосредоточены в первую очередь на горении с воспламенением от сжатия гомогенного заряда, но в последние годы мы наблюдаем растущий интерес к непрерывному диапазону режимов сгорания GCI, охватывающих полностью гомогенный HCCI, режимы частичного расслоения топлива и режимы полного расслоения, которые аналогичны дизельным двигателям. исполнение. Эти технологии также вызвали большой интерес к сжиганию с воспламенением от сжатия с регулируемой реактивностью (RCCI), в котором используются различия в реактивности двух видов топлива для управления процессом сгорания с максимальной эффективностью при минимально возможных выбросах.

Понимание потенциала этих режимов сгорания, а также понимание проблем выбросов и контроля выбросов и возможностей топливных технологий — составляет основу многих видов топлива, двигателей и исследований выбросов в ORNL и основывается на более чем двадцатилетнем опыте в этой области. эти области. Это исследование также включает подробное сравнение режимов сгорания GCI и RCCI, чтобы лучше понять проблемы и возможности с точки зрения эффективности, выбросов, шума и управляемости. В то же время другие национальные лаборатории проводят дополнительные и синергетические исследования, предоставляя новые знания в таких областях, как основы сгорания, передовые технологии двигателей, распыление и моделирование.

Стабильность и управляемость были главными препятствиями на пути реализации многих передовых режимов горения. Многие низкотемпературные режимы сгорания, такие как GCI и RCCI, работают на грани стабильности, другими словами, в условиях, при которых очень небольшие изменения граничных условий двигателя (например, температуры на впуске) могут привести к непреднамеренным отклонениям, которые приводят к нежелательным выбросам. снижение эффективности и возможность выхода из строя двигателя или системы контроля выбросов. Можно представить себе проблему этих типов режимов сгорания в постоянно меняющихся условиях реального ездового цикла, когда одно непреднамеренное отклонение может иметь катастрофические последствия. Для решения этой задачи требуется система управления, которая прогнозирует предотвращение, а не реагирует после возникновения потенциально опасного события.

ORNL имеет долгую историю улучшения понимания и контроля этих нестабильностей сгорания, чтобы расширить рабочее окно и получить преимущества передовых режимов сгорания. Это исследование и подход основаны на теории детерминистского хаоса и с годами эволюционировали от искрового воспламенения с высоким разбавлением до горения GCI и RCCI в последние годы.

Исследование ORNL показало, что для этих режимов сгорания циклическая дисперсия состоит из стохастических или случайных процессов, вызванных смешиванием топлива с воздухом в цилиндре, и детерминированных, или неслучайных, процессов, вызванных предыдущим событием сгорания через остаточные газы. Результирующий высокий уровень нестабильности дополнительно усиливается за счет вариаций от цилиндра к цилиндру. В то время как высокий уровень нестабильности представляет собой проблему, существование детерминированной структуры — неслучайного поведения — открывает потенциал для краткосрочного прогнозирования и контроля и, в конечном итоге, для принудительной стабилизации изначально нестабильных режимов горения.

Такого рода прогнозирование и контроль были бы немыслимы с жизнеспособными технологиями даже 10 лет назад. Однако с недавними значительными достижениями в области недорогих датчиков, быстрых исполнительных механизмов и бортовых компьютеров такой уровень контроля станет возможным на серийных автомобилях в самом ближайшем будущем.

В то время как значительный прогресс в технологиях управления двигателем, датчиках и бортовых компьютерах ведет к беспрецедентным возможностям, эта работа также ведет к постоянно расширяющемуся и неуправляемому пространству параметров в современных двигателях. Текущие тенденции показывают экспоненциальное увеличение пространства параметров, которое, как ожидается, продолжит расти в обозримом будущем. Неспособность эффективно и действенно оптимизировать это пространство параметров приводит к тому, что на рынке появляются неоптимальные двигатели, и возникает потребность в новых подходах к проектированию и оптимизации двигателей.

;пользовательский разрыв страницы;

Элементы управления на основе моделей и самообучающиеся будут важны для более надежной и оптимальной калибровки, а также для ускорения процесса калибровки. Существующие подходы к калибровке двигателей зависят в первую очередь от справочных таблиц, экспериментально полученных алгоритмов взаимодействия параметров и ручной оптимизации калибровочных транспортных средств. Элементы управления на основе моделей сократят количество экспериментов, в то же время лучше представляя сложные взаимодействия аппаратного обеспечения двигателя. Самообучающиеся элементы управления сделают еще один шаг вперед, чтобы обеспечить автономные интеллектуальные системы, которые будут иметь возможность обучаться, адаптировать и манипулировать органами управления двигателем, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать выбросы при постоянно меняющихся требованиях к транспортному средству.

Самообучающиеся элементы управления также станут критическим компонентом разработки подключенных и автономных транспортных средств, которые используют информацию от транспортного средства к транспортному средству и от транспортного средства к инфраструктуре для дальнейшей оптимизации топливной экономичности двигателя и транспортного средства.

Более быстрое и более точное моделирование будет иметь важное значение для разработки и оптимизации следующего поколения двигателей внутреннего сгорания. Это будет важно для обнаружения важных знаний, управления постоянно расширяющимся пространством параметров и разработки моделей пониженного порядка, пригодных для реализации управления в реальном времени. Постоянное увеличение скорости вычислений и доступности высокопроизводительных вычислений открывает новые горизонты в разработке двигателей и транспортных средств, включая возможность решать проблемы, которые когда-то считались неразрешимыми.

Используя нейтроны для проникновения во внутреннюю структуру части двигателя, исследователи изучают кавитацию, физическое явление, которое приводит к образованию пузырьков внутри корпуса бензиновой топливной форсунки. Изображение: ORNL

Тенденции в стоимости высокопроизводительных вычислений указывают на то, что компьютеры «петамасштаба» (и выше) станут доступными для промышленности в течение десятилетия. Для справки, петафлоп — это один квадриллион операций с плавающей запятой в секунду. Теоретическая пиковая производительность суперкомпьютера ORNL Titan превышает 27 петафлопс. (Для сравнения, 28 петафлопс эквивалентны тому, что все 7 миллиардов человек в мире одновременно выполняют 4 миллиона вычислений в секунду.) Ценовая доступность и доступность этих типов ресурсов для промышленности будет революционной для проектирования и калибровки двигателей, поскольку а также транспортные средства.

Суперкомпьютеры в национальных лабораториях в настоящее время используются для поддержки Министерства энергетики и в сотрудничестве с промышленностью для улучшения моделирования аэрозолей, улучшенного сгорания и конструкции двигателя. ORNL реализует текущие проекты, в которых эти ресурсы используются для углубления понимания нестабильности сгорания, ускорения оптимизации конструкции форсунки и даже объединения высокоточных кодов сгорания и структурных кодов для прогнозирования свойств материалов.

ORNL недавно провела встречу отраслевых заинтересованных сторон с несколькими другими национальными лабораториями, чтобы изучить следующие шаги в использовании огромной мощности высокопроизводительных вычислений для проектирования транспортных средств. В частности, встреча была посвящена потенциалу высокопроизводительных вычислений и заинтересованности отрасли в разработке интегрированной программной среды для объединения нескольких технологий для мультифизического полного трехмерного высокоточного моделирования транспортных средств с целью использования возможностей следующее поколение передовых вычислительных архитектур.

Новая среда моделирования будет разработана специально для транспортных средств на основе недавнего опыта разработки аналогичных сред для ядерных реакторов и батарей. В качестве примера рассмотрим интеграцию высокоточных 3D-моделей для интегрированного проектирования управления температурным режимом, аэродинамикой и структурой: этот подход не только может значительно ускорить процесс проектирования, но и выявить синергетические возможности, выходящие за рамки возможного. могут быть отождествлены с более традиционными подходами.

Большая часть обсуждений до сих пор была сосредоточена на поиске новых знаний и разработке более совершенных технологий двигателей — все области, находящиеся под контролем производителей автомобилей и двигателей. В настоящее время в Министерстве энергетики и национальных лабораториях реализуется амбициозная программа, направленная на совместную оптимизацию технологий топлива и двигателей для достижения максимальной производительности при минимальных выбросах парниковых газов, другими словами, устранение ограничений, налагаемых современными видами топлива на конструкцию двигателя.

;пользовательский разрыв страницы;

Программа «Оптима» объединяет обширный опыт и ресурсы Управления транспортных технологий и Управления биоэнергетических технологий Министерства энергетики. Общий план включает краткосрочную фазу, основанную на современных технологиях двигателей с целью появления на рынке к 2025 году новых топливных и автомобильных технологий, а также более долгосрочную и, возможно, более амбициозную фазу, сосредоточенную на кинетически контролируемых процессах сгорания и топливные технологии, влияние которых ожидается в период до 2030 года. Команда Optima тесно сотрудничает с широким кругом заинтересованных сторон, представляющих производителей автомобилей и двигателей, энергетические компании, производителей биотоплива, дистрибьюторов топлива и розничных продавцов, а также выявляет и решает потенциальные проблемы с внедрением для обеспечения максимального успеха.

Одним из способов сокращения выбросов двигателя является снижение нагрузки на автомобиль. Моделирование на суперкомпьютере, проведенное в Ок-Ридже, смоделировало систему, которая могла бы уменьшить лобовое сопротивление и повысить эффективность грузовых перевозок дальнемагистральных грузовиков. Изображение: Майкл Мэтисон, ORNL

Сочетание новых правил, ожиданий потребителей и изменяющейся роли двигателей внутреннего сгорания с усовершенствованной архитектурой транспортных средств повышает требования к двигателям следующего поколения и развитию технологий в ускоренном темпе. Один из руководителей автомобильной отрасли недавно сказал, что за последние 10 лет двигатель изменился больше, чем за предыдущие 100 лет.