Тема тюнинга двигателей | Роторные двигатели — прошлое и будещее

В завешение — технологии тюнинга двигателя с глубокой разборкой двигателя и с заменой или переделкой основных деталей двигателя, а так же с изменением геометрии блока цилиндров.

К этой категории процедур относятся самые сложные и самые затратные работы. В поршневых ДВС действует такая закономерность: чем выше степень сжатия, тем выше КПД и мощность мотора. Правда при этом повышается склонность к детонации и требуется более высокооктановый, т.е. дорогой бензин.

Так что палка — о двух концах. Для повышения степени сжатия – снимают и «пилят» головку блока цилиндров. При этом высота головки уменьшается и объем камеры сгорания уменьшается. А так как степень сжатия есть отношение объема камеры сгорании к полному объему цилиндра- то и степень сжатия повышается.

Далее- еще более радикальный подход к тюнингу двигателя – это изменение рабочего объема блока цилиндров двигателя. Т.е. наращивание пространства в цилиндрах двигателя. Достичь этого можно двумя путями — либо нарастив длину шатунов и увеличив эксцентриситет коленвала, при этом подложив переходную плиту между головкой блока цилиндров и самим блоком цилиндров.

Такая вставка увеличивает «глубину» цилиндра. Либо не трогая шатуны и коленвал, но расточив вширь, т.е. увеличив диаметр цилиндра и движущихся в нем поршней. В первом случае увеличивается длинна рабочего хода и плечо крутящего момента на коленвалу, во втором случае – площадь поршней, на которые давят газовые силы.

НО, все эти тюнинг – мероприятия, кроме единственной — форсируют двигатель по «оборотам», т.е. увеличивают количество вращений коленвала двигателя в единицу времени, и только одно мероприятие – увеличение литрового объема за счет увеличения «глубины»- цилиндра форсирует двигатель по крутящему моменту.

В чем суть этих различий и что лучше делать для повышения тяговитости двигателя — в этом очень важно разобраться. Ибо все хотят иметь как можно более мощный мотор в своем автомобиле, но вот как добиться от своего двигателя супер-тюнинг мощности, это очень трудный, да и весьма запутанный вопрос….

Следующая статья будут рассматривать вопрос- какой тюнинг двигателя лучше делать – форсировать двигатель по оборотам или по крутящему моменту….

Так же интересная тема- повышение ресурса двигателя и уменьшение трения в паре «поршень- цилиндр» — за счет ионо-плазменного азотирования стали.

Далее- технологии с добавлением или изменением компонентов «обвеса» двигателя, с заметной разборкой двигателя, но ещё без замены основных деталей цилиндро-поршневой группы мотора.

Первое- это оптимизация работы впускного и выпускного коллекторов. Данные мероприятия призваны уменьшить насосные потери мощности и увеличить коээфицент наполнения двигателя свежим зарядом топливо-воздушной смеси. В эти работы входит установки воздушного фильтра с «нулевым» сопротивлением, впускного и выпускного коллекторов уменьшенного сопротивления, прямоточного глушителя, который уменьшает сопротивление выпуску отработавших газов.

Это вышлифовка воздуховодов и стенок газообменных окон в головке блока цилиндров, и даже их некоторое увеличение сечения – для уменьшения газодинамического сопротивления. То же самое преследует установка так называемых Т-образных клапанов, у которых большая пропускная способность, за счет изменения их формы. Так же идет притирка тарелок клапанов к седлам для предотвращения возможного прорыва газов.

Так же формально к области оптимизации газонаполнения относится установка механического нагнетателя или турбо-компрессора с приводом от потока выхлопных газов, которые повышают давление во впускном коллекторе и тем самым увеличивают коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Т.е. такой тюнинг –девайс приводит к тому, что в камере сгорания оказывается больше паров бензина.

В случае турбокомпрессора — турбина раскручивается потоком выхлопных газов, т.е. этим как-то превращают в пользу энергию их кинетического движения, и этой энергией вращает лопаточный компрессор, который и совершает работу по предварительному сжатию массы потока свежей топливной смеси.

Для тех, кто все еще думает, что за электромобилями нету будущего, двс прощай

Сегодняшний мир постепенно движется к отказу от невозобновляемых источников, и переходит к альтернативным возобновляемым, таким как: солнце, ветер, вода. И больше всего где заметно это направление, связано с автомобилизацией, так как на данный момент, это самый большой источник загрязнения окружающей среды, и данные средства намного проще переоборудовать в электричество, чем к примеру самолеты, или корабли.

Хотя и к этому постепенно все идет.Существует большое количество людей, которые всех уверяют что за электромобилями нету будущего, и что они никогда не заменят автомобиль на ДВС. Давайте с вами разберемся так ли это, и какие плюсы имеет электромобиль по сравнению с ДВС.

• Как и писалось ранее, электромобиль это экологичный транспорт. Да сторонники ДВС скажут, что — (электричество вырабатывается за счет угля, или АЭС). Да это так, но по мимо ко всему перечисленному вы еще заправляете свой автомобиль топливом тем самым еще больше усугубляя ситуацию, а с переходом к электромобилям эта обуза снимается. Да и вообще нужно вырабатывать электричество опять же за счет выше перечисленных солнечных электростанций и ветряных турбин.
• Еще один существенный плюс электромобилей — это надежность. И в чем же она заключается, спросите вы ? А в том, что электромобиль состоит из гораздо меньшего количества подвижных частей, по сравнению с ДВС. По сути это только батарея и электромотор. Как таковой коробки передач и карданных валов для полного привода , электромобиль не имеет. К примеру электромотор на популярном во всем мире Nissan Leaf — способен прослужить более 1 млн км. Единицам автомобилям на ДВС удавалось добиться таких результатов. А батарея потребует замены примерно через 12 лет после покупки. Сразу скажу что цена на нее составляет не больше чем замена мотора на старом BMW.

• Продолжаем. Электромобиль требует гораздо меньшего обслуживания и дешев в обслуживании. Электромотор не имеет: поршней, цилиндров, масленых колец, ременных приводов, свечей, моторного масла и т.п. На всем на этом можно экономить круглые суммы, так этого всего просто напросто нету, а сам электромотор ни каких замен за все время эксплуатации не требует. Разве это не плюс. Нынешние ДВС, очень сложны в строении, и разобраться в случае какой либо поломки как в старых карбюраторных жигулевских движках не сможете, и любая даже не существенная поломка выйдет вам в копеечку.

• У электромотора гораздо выше КПД чем у ДВС
  . Электромобиль реализует весь свой крутящий момент, в один момент как вы только надавите на педаль акселератора. Именно по этому, даже не самый мощный электромобильчик, способен показывать отличные динамические характеристики в городе. Все я думаю наслышаны таким эталонным электрокаром как Tesla и ее выдающимися характеристиками. Ни один автомобиль на ДВС не способен показать такие результаты.

• Экономия на топливе.
  Да, покупать Теслу за $100 тысяч и говорить владельцу Хендай Солярис, что я ее купил чтобы экономить на топливе, согласитесь глупо. Но, если это сказать владельцу ДВС, за сопоставимую стоимость, то да вы в данном случае «молодец». Ну или если вы приобрели относительно не дорогой Nissan Leaf 2-го поколения за 1,5 млн рублей. И не забываем про расходники. Но электромобиль же нужно заряжать, ну да нужно, если вы живете в частном доме, можете сами посчитать во сколько вам выйдет зарядить тот же Nissan Leaf на 40 кВт и сколько вы тратите чтобы заправить ваш автомобиль на ДВС. Минус, что наши города не располагают быстрыми зарядками, да и обычных тоже не так много как хотелось бы, но если будет больше появляться на дорогах экологичного транспорта, тем быстрее будет налаживаться для них инфраструктура.

• Управляемость
  . Это еще один не маловажный плюс электромобиля, только уже это достигается не за счет электродвигателя, а за счет батареи. Батарея электромобиля находится под днищем автомобиля, благодаря этому достигается великолепная управляемость, в повороты можно входить на не малых скоростях, за счет низкого центра тяжести, ведь батарея весит около 250 кг.

Завершая эту статью, какие еще плюсы хотелось бы выделить: тишину в салоне, рева ДВС то нет, особенно при разгоне; Нет необходимости прогревать автомобиль зимой, так он это делает сам, что бы батарея не опустилась до минусовой отметки; Днище автомобиля ровное без выступов, поэтому на бездорожье можно себя чувствовать по уверенней.

Вот такие вот плюсы на стороне электрокаров, по сравнению с автомобилями на ДВС. Да минусы конечно тоже есть, они все известны, но электромобили развиваются, ведь ДВС тоже усовершенствовался на протяжении десятилетий. Но то что за электромобилями будущее, не возникает уже ни у кого сомнений, ведь даже BMW и Mercedes отказались от своих дальнейших разработок в области ДВС и предпочли развивать индустрию электромобилей — а это знаете ли уже о многом говорит.

Пишите что вы думаете по этому поводу или все таки эти доводы вас не убедили и вы по прежнему считаете что за ДВС будущее, а может гибриды или автомобили на водороде захватят рынок ?

Источник

Семейство К от Renault

Надёжный и выносливый мотор, при этом обладающий немалым запасом пробега — это про K7M. В настоящее время им оборудуют незамысловатые версии моделей Renault Logan и Sandero. Агрегат с не очень большим рабочим объёмом – 1,6 л, 8-клапанным исполнением, скромной форсировкой и мощностью в 82-87 л. с. способен на пробег до 400 тыс. км, а порой и более того.

Комплекс цилиндров у двигателя чугунный, а поршневая группа благодаря своей конструкции имеет не слишком большой расход масла. Причём, ДВС нормально переносит небольшой перегрев.

Но и минусы двигателя лежат на поверхности. Это чрезмерный топливный аппетит, плавающее число оборотов при холостом ходе. Вдобавок – повышенный шум и высокая вибрация мотора.

А для того, чтобы K7M верой и правдой служил автовладельцу, требуется выполнять элементарные правила:

• использовать расходные материалы высокого качества;
• с периодичностью в 60 тыс. км менять ремень привода газораспределительного механизма во избежание обрыва связующего элемента, что может привести к деформации клапанов;
• своевременно настраивать клапаны;
• устанавливать надёжные комплектующие типа насоса антифриза.

Собрат же «семёрки», мотор K4M – более современный, у него выше мощность и целых 16 клапанов. Этот мотор ставят не только на Logan и Sandero, но и на другие модели Renault: Megane, Lodgy, Clio, Scenic. Причём, не так давно им снабжали вазовскую Lada Largus.

Технологические особенности «четвёрки» аналогичны: блок чугунных цилиндров, распределённая подача топлива и ременной привод газораспределительного механизма. Некоторые версии снабжены фазовращателем, находящимся на впускном распредвале.

Основным преимуществом этого двигателя является не столь высокая потребность в техобслуживании, что во многом обусловлено наличием гидрокомпенсаторов в приводе клапанов.

Среди минусов «шестнадцатиклапанника» можно выделить высокую цену его запчастей и всё ту же проблему с закручиванием клапанов при разрыве ремня газораспределительной системы.

Для профилактики подобной аварии и здесь требуется замена того самого ремня с периодичностью в 60 тыс. км., а делать это весьма несподручно.

Бывает, что при работе K4M ломаются катушки зажигания, загрязняются топливные форсунки, барахлит датчик положения коленчатого вала, проникает воздух через трещины или неровности впускного коллектора, а ещё протекают масло и охладитель. Но всё равно в плане надёжности «четвёрка» ничем не хуже восьмиклапанной модели.

Основные характеристики двигателя K4M:

• объём: 1,6 л;
• мощность: 108 л. с.

Toyota 2AR-FE

Когда-то тойотовские двигатели обладали запасом пробега более 800 тыс. км. Однако времена меняются, и на сегодня даже показатель в 400-500 тысяч считается благом. Именно таким значением максимального пробега обладает зарекомендовавший себя ДВС 2AR-FE объёмом в 2,5 л и мощностью до 180 л. с., знакомый владельцам RAV4, Camry, ну или минивэна Alphard.

2AR-FE оснащён алюминиевым блоком цилиндров и залитыми чугунными гильзами. Шестнадцатиклапанный цепной газораспределительный механизм наделён гидрокомпенсаторами, а кованный коленвал имеет 8 противовесов.

Для повышения гибкости силовой установки газораспределитель наделили современной системой изменения фаз, носящей название Dual VVT-i. Она предназначена для управления впускными и выпускными клапанами, что оптимизирует работу агрегата при разных степенях нагрузки. Таким образом удаётся достичь высоких уровней эффективности и экологичности двигателя.

В данной версии силовой установки производитель не стал применять некоторые испробованные технологии, что привело к уменьшению соотношения мощности двигателя к полезному объёму, но зато повысило экономичность ДВС на 10-12 %.

При этом минимальное техобслуживание с заменой масла у тойотовского агрегата приходится раз на 10 тыс. км. Такая профилактика особенно нужна моторам, эксплуатирующимся при частых пробках. Цепь ГРМ требует обновления чуть реже – на каждые 150 тыс. км.

Преимущества:

• надёжность в эксплуатации;
• хорошая ремонтопригодность.

Недостатки:

• шум в ГРМ при работе неразогретого двигателя;
• частые протекания в антифризовом насосе.

Emdrive

Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.

Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия?

Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю.

Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов.

Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.

В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.

Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.

Чтобы полностью доказать работоспособность двигателя, необходимо провести еще множество измерений и избавиться от побочных эффектов, которые могут порождаться, к примеру, внешними магнитными полями. Однако уже выдвигаются и альтернативные возможные объяснения аномальной тяги двигателя Шаера, которая, в общем-то, нарушает привычные законы физики.

К примеру, выдвигаются версии, что двигатель может создавать тягу благодаря взаимодействию с физическим вакуумом, который на квантовом уровне имеет ненулевую энергию и заполнен постоянно рождающимися и исчезающими виртуальными элементарными частицами. Кто в итоге окажется прав – авторы этой теории, сам Шаер или другие скептики, мы узнаем в ближайшем будущем.

Будущее квантовых двигателей

Скоро нас ждет расцвет квантовых технологий, и тогда квантовые тепловые машины могут сильно помочь.

Использовать кухонный холодильник для охлаждения микросистем не получится из-за его беспорядочной работы — в среднем температура в нем низкая, но локально она может достигать недопустимых значений.

Из-за тесной связи квантовой термодинамики с информацией мы в силах использовать наши знания (информацию) для совершения локальной работы — например, реализовать квантового демона Максвелла, используя многоуровневые системы, для охлаждения (очищения состояния) кубитов в квантовом компьютере.

Что касается квантовых двигателей большего масштаба, то утверждать, что такой двигатель придет на смену двигателю внутреннего сгорания, еще рано. Пока двигатели, состоящие из одного атома, имеют слишком низкую эффективность.

Однако интуитивно понятно, что при использовании макроскопической системы с множеством степеней свободы, мы сумеем извлечь лишь малую часть полезной работы, ведь такой системой можно управлять только в среднем. В концепции квантовых двигателей появляется возможность управлять системами более эффективно.

На данный момент в науке о наноразмерных тепловых машинах есть множество как теоретических, так и инженерных вопросов. Например, большой проблемой являются квантовые флуктуации, способные создавать «квантовое трение», привнося лишнюю энтропию и уменьшая эффективность двигателя.

Сейчас физики и инженеры активно работают над оптимальным контролем квантового рабочего тела и созданием нанонагревателя и нанохолодильника. Рано или поздно квантовая физика поможет нам создать новый класс полезных устройств.

Михаил Перельштейн

В россии создан уникальный двигатель для автомобилей

Российские специалисты разработали новый электродвигатель, среди преимуществ которого невысокая цена и малый расход энергии. В планах компании — производство собственных беспилотных грузовиков, оснащенных этими моторами.

В основе разработки лежит обычная медная катушка, а не дорогостоящие постоянные магниты. Поэтому стоимость двигателя составляет не 300 тыс. рублей, как, например, у китайских аналогов, а всего 80 тысяч.

Увеличенная дальность хода достигается за счет более высокого КПД нового электромотора. Постоянные магниты, которых в нем нет, смещаясь относительно проводника, создают обратнонаправленную силу, которая съедает часть мощности, а при перегреве магнит вовсе теряет свои свойства. Из-за отсутствия этих проблем новый двигатель способен проехать на 15% больше, чем его магнитные конкуренты.

«Наш мотор, образно говоря, состоит из железа, меди и математики. Мы создаем магнитное поле с помощью медной катушки, через которую проходит ток. И поэтому можем спокойно им управлять: увеличивать для большей мощности и уменьшать для скоростного разгона авто без снижения КПД. По нашим расчетам, на российском моторе машина проедет примерно на 15% дольше», — рассказал «Известиям» технический директор Илья Федичев.

Автомобильная отрасль стремительно приближается к эре электромобилей, и подобные разработки уже совсем скоро будут не просто востребованы, а безальтернативны. Помимо КПД электромоторов существует еще одна проблема, без решения которой прорыв невозможен — это недорогие и безопасные аккумуляторы.

Сегодня в электромобилях и машинах с гибридными силовыми установками используются литий-ионные батареи. Они отличаются высокой ценой, большой массой, высокой стоимостью из-за применяемых в них дорогих металлов и небольшим сроком службы (до 10 лет), в течение которого емкость батарей постепенно снижается.

Двигатель квантового сгорания

Люди научились строить очень мощные двигатели внутреннего сгорания, но не научились главному — существенному повышению их КПД. Предел на этом пути ставит второй закон термодинамики, утверждающий, что энтропия системы неизбежно растет. Но нельзя ли преодолеть этот предел с помощью квантовой физики?

Оказалось, что можно, но для этого необходимо было понять, что энтропия субъективна, а тепло и работа — далеко не единственно возможные формы энергии. Подробнее о том, что такое квантовые двигатели, как они устроены и на что способны, читайте в нашем материале.

За 300 лет развития технологии расчета, проектирования и конструирования двигателей проблема создания машины с большим коэффициентом полезного действия (КПД) так и не была решена, хоть и является критичной для многих областей науки и техники.

Квантовая физика, открытая в начале XX века, преподнесла нам уже немало сюрпризов в мире технологий: атомная теория, полупроводники, лазеры и, наконец, квантовые компьютеры. Эти открытия основываются на необычных свойствах субатомных частиц, а именно, на квантовых корреляциях между ними — сугубо квантовом способе обмена информацией.

И кажется, квантовая физика готова удивить нас еще раз: годы развития квантовой термодинамики позволили физикам показать, что квантовые тепловые двигатели могут иметь высокую эффективность на малых масштабах, недоступную для классических машин.

Давайте разберемся, что такое квантовая термодинамика, как работают тепловые машины, какие улучшения дает квантовая физика и что необходимо сделать для создания эффективного двигателя будущего.

Двигатель на антиматерии

Все окружающее нас вещество состоит из фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином. Это, к примеру, кварки, из которых состоят протоны и нейтроны в атомных ядрах, а также электроны. При этом у каждого фермиона есть своя античастица. Для электрона таковой выступает позитрон, для кварка – антикварк.

Античастицы имеют ту же массу и тот же спин, что и их обычные «товарищи», отличаясь знаком всех остальных квантовых параметров. Теоретически античастицы способны составлять антивещество, но до сих пор нигде во Вселенной антивещество зарегистрировано не было. Для фундаментальной науки является большим вопросом, почему его нет.

Но в лабораторных условиях можно получить некоторое количество антивещества. К примеру, недавно был проведен эксперимент по сравнению свойств протонов и антипротонов, которые хранились в магнитной ловушке.

При встрече антивещества и обычного вещества происходит процесс взаимной аннигиляции, сопровождаемый выплеском колоссальной энергии. Так, если взять по килограмму вещества и антивещества, то количество выделенной при их встрече энергии будет сопоставимо со взрывом «Царь-бомбы» – самой мощной водородной бомбы в истории человечества.

Причем значительная часть энергии при этом выделится в виде фотонов электромагнитного излучения. Соответственно, возникает желание использовать эту энергию для космических перемещений путем создания фотонного двигателя, похожего на солнечный парус, только в данном случае свет будет генерироваться внутренним источником.

Но чтобы эффективно использовать излучение в реактивном двигателе, необходимо решить задачу создания «зеркала», которое было бы способно эти фотоны отразить. Ведь кораблю каким-то образом надо оттолкнуться, чтобы создать тягу.

Никакой современный материал попросту не выдержит рожденного в случае подобного взрыва излучения и моментально испарится. В своих фантастических романах братья Стругацкие решили эту проблему путем создания «абсолютного отражателя». В реальной жизни ничего подобного пока сделать не удалось. Эта задача, как и вопросы создания большого количества антивещества и его длительного хранения, – дело физики будущего.

Источник

Ионный двигатель

Поток заряженных частиц вещества, то есть ионов, излучают не только звезды. Ионизированный газ можно создать и искусственно. В обычном состоянии частицы газа электрически нейтральны, но, когда его атомы или молекулы теряют электроны, они превращаются в ионы.

В ионном двигателе инертный газ (обычно используется ксенон) ионизируется с помощью потока высокоэнергетических электронов. Они выбивают электроны из атомов, и те приобретают положительный заряд. Далее получившиеся ионы ускоряются в электростатическом поле до скоростей порядка 200 км/с, что в 50 раз больше, чем скорость истекания газа из химических реактивных двигателей.

Большой удельный импульс позволяет значительно сократить расходы топлива в двигателе. Для ионизации газа используется энергия, полученная от солнечных батарей, поэтому ионный двигатель способен работать очень долго – до трех лет без перерыва. За такой срок он успеет разогнать космический аппарат до скоростей, которые химическим двигателям и не снились.

Ионные двигатели уже не раз бороздили просторы Солнечной системы в составе различных миссий, но обычно в качестве вспомогательных, а не основных. Сегодня как о возможной альтернативе ионным двигателям все чаще говорят про двигатели плазменные.

Квантовая тепловые двигатели

Как же теперь, используя более глубокое понимание квантовой термодинамики, построить тепловую машину?

В 2022 году был учрежден технологический Европейский исследовательский центр, посвященный квантовой термодинамике, где в настоящее время работают более 300 ученых и инженеров.

Команда центра надеется исследовать законы, управляющие квантовыми переходами в квантовых двигателях и холодильниках, которые когда-нибудь смогут охлаждать компьютеры или использоваться в солнечных панелях, биоинженерии и других приложениях.

Уже сейчас исследователи намного лучше, чем раньше, понимают, на что способны квантовые двигатели.

Тепловой двигатель — это устройство, использующее квантовое рабочее тело и два резервуара при разных температурах (нагреватель и холодильник) для извлечения работы. Работа — это передача энергии от двигателя к какому-то внешнему механизму без изменения энтропии механизма.

С другой стороны, тепло — это обмен энергией между рабочем телом и резервуаром, изменяющий энтропию резервуара. При слабой связи между резервуаром и рабочим телом тепло связано с температурой и может быть выражено как dQ

=TdS, гдеdS— это изменение энтропии резервуaра.

В элементарном квантовом тепловом двигателе рабочее тело состоит из одной частицы. Такой двигатель удовлетворяют второму закону и поэтому также ограничен пределом эффективности Карно.

Когда рабочее тело приводится в контакт с резервуаром, то в рабочем теле изменяется заселенность энергетических уровней. Определяющим свойством резервуара является его способность довести рабочее тело до заданной температуры независимо от начального состояния тела.

В данном случае температура является параметром квантового состояния системы, а не макропараметром, как в классической термодинамике: мы можем говорить о температуре как о заселенности энергетических уровней.

В процессе обмена энергией с резервуаром тело обменивается еще и энтропией, поэтому энергетический обмен на этой стадии рассматривается как передача тепла.

Для примера рассмотрим квантовый цикл Отто, в котором рабочим телом будет выступать двухуровневая система. В такой системе имеются два энергетических уровня, каждый из которых может быть заселен; пусть энергия основного уровня E

1, а возбужденногоE2. Цикл Отто состоит из 4 стадий:

Расстояние между уровнямиE1 иE2 увеличивается и становитсяΔ1 =E1 −E2.

II.

Происходит контакт с нагревателем, система нагревается, то есть верхний энергетический уровень заселяется и изменяется энтропия рабочего тела. Это взаимодействия продолжается времяτ1.

III.

Происходит сжатие между уровнямиE1 иE2, то есть происходит работа над системой, теперь расстояния между уровнямиΔ2 =E1 −E2.

IV.

Тело приводится в контакт с холодильником на времяτ2, что дает ему возможность срелаксировать, опустошить верхний уровень. Теперь нижний уровень оказывается полностью заселен.

Здесь мы можем ничего не говорить о температуре рабочего тела, имеют значения лишь температуры нагревателя и холодильника. Совершенную работу можно записать как:

= (p0(τ1) −p1(τ2))(Δ1 −Δ2), (1)

где p

0(1) — вероятность, что рабочее тело находилось в основном (возбужденном) состоянии. КПД данного квантового четырехтактного двигателяη= 1 −Δ1/Δ2.

Цикл Отто на квантовой двухуровневой системе

Поделиться

Например, возможно построить квантовый двигатель, в котором роль рабочего тела играет сверхпроводящий кубит, а в качестве нагревателя и холодильника используются два нормальных резистора с разным сопротивлением.

Эти резисторы генерируют шум, обладающий характерной температурой: большой шум — нагреватель, маленький — холодильник.

Корректная работа такого двигателя была показана в работе ученых из университета Аалто в Финляндии.

В реализации цикла Отто разность между уровнями энергии можно модулировать постоянным магнитным потоком, то есть «сжимать» или «расширять» уровни, а включать взаимодействие с резервуарами отлично получалось короткими микроволновыми сигналами.

В 2022 году ученые из Еврейского университета Иерусалима подсчитали, что такие квантовые двигатели могут превзойти классические аналоги.

Эти вероятностные двигатели все еще следуют формуле эффективности Карно в терминах того, сколько работы они могут извлечь из энергии, проходящей между горячими и холодными телами. Но они способны извлекать работу гораздо быстрее.

Двигатель, сделанный из одного иона, был экспериментально продемонстрирован и представлен в 2021 году, хотя он не использовал квантовые эффекты для усиления мощности.

Недавно мы писали о том, что был построен квантовый тепловой двигатель на основе ядерного магнитного резонанса, чей КПД был очень близок к идеальному ηCarnot

Квантовые тепловые машины можно использовать также для того, чтоб охлаждать как большие, так и микроскопически системы, такие как кубиты в квантовом компьютере.

Охладить микросистему значит уменьшить заселенности на возбужденных уровнях, уменьшить энтропию. Это можно сделать через те же термодинамические циклы, включающие в себя нагреватель и холодильник, но запущенные в обратном направлении.

В марте 2021 года была опубликована статья, в которой с помощью квантовой теории информации выводился третий закон термодинамики — утверждение о невозможности достижения абсолютной нулевой температуры.

Авторы статьи показали, что ограничение скорости охлаждения, препятствующее достижению абсолютного нуля, возникает из ограничения на то, как быстро информация может быть выкачана из частиц в объекте конечного размера.

Ограничение на скорость имеет прямое отношение к охлаждающим способностям квантовых холодильников.

Классические тепловые двигатели

В своей книге 1824 года «Размышления о движущей силе огня» 28-летний французский инженер Сади Карно придумал, как паровые двигатели могут эффективно преобразовывать тепло в работу, заставляющую двигаться поршень или крутиться колесо.

К удивлению Карно, эффективность идеального двигателя зависела только от разницы температур между источником тепла двигателя (нагревателем, как правило — огнем) и теплоотводом (холодильником, как правило — окружающим воздухом).

Карно понял, что работа — это побочный продукт естественного перехода тепла от горячего тела к холодному.

Схема работы теплового двигателя

Поделиться

В тепловых двигателях используется следующий цикл. Тепло Q

1 подводится из нагревателя с температуройt1 к рабочему телу, часть теплаQ2 отводится к холодильнику с температуройt2,t1 >t2.

Работа, произведенная тепловым двигателем, равна разности между подведенным и отведенным теплом: A

=Q1 −Q2, а КПДηбудет равенη=A/Q1.

Карно показал, что КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД идеальной тепловой машины, работающей по его циклу с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника ηCarnot

= (t1 −t2)/t1. Создание эффективной тепловой машины — это максимальное приближение реального КПДηк идеальномуηCarnot.

Сади Карно умер от холеры восемь лет спустя — прежде, чем смог увидеть, как уже в XIX веке его формула эффективности превратилась в теорию классической термодинамики — набор универсальных законов, связывающих температуру, тепло, работу, энергию и энтропию.

Классическая термодинамика описывает статистические свойства систем, сводя микропараметры, такие как положения и скорости частиц, к макропараметрам: температуре, давлению и объему. Законы термодинамики оказались применимы не только к паровым машинам, но и к Солнцу, черным дырам, живым существам и всей Вселенной.

Это теория настолько простая и общая, что Альберт Эйнштейн считал, что она «никогда не будет свергнута». Однако с самого начала термодинамика занимала исключительно странное положение среди других теорий мироздания.

«Если бы физические теории были людьми, термодинамика была бы деревенской ведьмой, — писала несколько лет назад физик Лидия дель Рио. — Другие теории находят ее странной, отличной от остальных, но все приходят к ней за советом и никто не осмеливается ей противоречить».

Термодинамика никогда не претендовала на то, чтобы быть универсальным методом анализа окружающего мира, скорее, она путь к эффективному использованию этого мира.

Термодинамика рассказывает нам, как максимально использовать ресурсы, такие как горячий газ или намагниченный металл, для достижения конкретных целей, будь то движение поезда или форматирование жесткого диска.

Ее универсальность происходит от того, что она не пытается понять микроскопические детали отдельных систем, а только заботится о том, чтобы определить, какие операции легко реализовать в этих системах, а какие трудно.

Такой подход может показаться странным для ученых, но им активно пользуются в физике, информатике, экономике, математике и много где еще.

Одна из самых странных особенностей теории — это субъективность ее правил. К примеру, газ, состоящий из частиц, в среднем имеющих одинаковую температуру, при ближайшем рассмотрении имеет микроскопические температурные различия.

В последние годы появилось революционное понимание термодинамики, объясняющее эту субъективность с помощью квантовой теории информации, которая описывает распространение информации через квантовые системы.

Точно так же, как термодинамика первоначально выросла из попыток улучшить паровые двигатели, современная термодинамика описывает работу уже квантовых машин — управляемых наночастиц.

Для корректного описания мы вынуждены распространить термодинамику на квантовую область, где такие понятия, как температура и работа, теряют свое обычное значение, а классические законы механики перестают работать.

Лучшие автомобили для тюнинга

Любовь к тюнингу у молодого поколения СНГ зародилась в 2000-х годах. Тогда этому во многом поспособствовали компьютерные игры серии Need For Speed. Каждый второй мальчишка мечтал в будущем о разукрашенной красивой аэрографией машине.

К слову, машина тюнингуется не только снаружи, но и внутри. Да и технические доработки тоже вписываются в рамки этого понятия. Внешний тюнинг обычно ориентируется на изменение наружного облика автомобиля. Красивая аэрография, дорогие диски, обвесы – всё это элементы внешнего тюнинга.

Соответственно к внутреннему тюнингу относится доработка элементов салона. К примеру, установка новой приборной панели или мощной акустической системы, перетяжка сидений и потолка. В технический тюнинг обычно входит прокачивание подкапотного пространства или коробки передач.

Выбирая автомобиль для будущей доработки, необходимо, чтобы он соответствовал нескольким требованиям: — сравнительно мощный двигатель в стоковом варианте; — большой выбор тюнинг-компонентов; — невысокая стоимость автомобиля и его эксплуатации; — доступность и большой ассортимент запчастей.

Безусловно, можно приобрести и знаменитые Nissan 240SX, Toyota Celica или Ford Mustang, но в таком случае придётся запастись терпением и большим количеством денежных средств. Эти автомобили хорошо подвергаются тюнингу, но наличие компонентов для доработки и их стоимость оставляют желать лучшего.

Из более простых вариантов стоит рассмотреть автомобили марки BMW, Lada, Honda, Mitsubishi или Subaru. Если говорить конкретно о марке BMW, то практически все её модели идеально подходят для тюнинга. Лучше, конечно же, выбирать автомобили до 2000 года выпуска, которые обойдутся дешевле и имеют более широкий диапазон доработки.

Огромным плюсом автомобилей BMW является их популярность и, как следствие, наличие самых разных компонентов для тюнинга на рынке, а также большое количество специализированных автомастерских.

Про модели АвтоВАЗа и говорить нечего – они недорогие и простые в обслуживании. Компонентов для тюнинга на них также предостаточно. Позволить «прокачать» свою Ладу может себе позволить практически каждый. Правда тут существует один важный вопрос – а стоит ли этот автомобиль того? Каждый решит это для себя.

Honda, а если конкретнее, то модели Civic и Accord отлично подходят для масштабных тюнинг-проектов. Многие помнят Civic по игре Need For Speed и по сей день мечтают купить этот автомобиль и превратить его в подобие компьютерной версии. Благо для этого есть все. Civic на вторичном рынке стоит не так дорого, да и возможностей для тюнинга хватает за глаза.

Из марки Mitsubishi конечно же выделяется Lancer. Чаще всего его тюнингуют по внешней части, а вот с выходом десятого поколения, которое уже с салона выглядит просто потрясающе, владельцы перешли на технический тюнинг.

Subaru Impreza – одна из популярнейших машин для тюнинга 2000-х годов. Да и сейчас хватает энтузиастов, которые берутся за эти автомобили и делают из них конфетки.

Если хорошо постараться, уделить время и деньги, то можно затюнинговать вообще любой автомобиль. Главное, чтобы это было сделано качественно и с пользой для машины.

Правила тюнинга двигателя

Практически все бензиновые и дизельные двигатели в большей или меньшей степени пригодны для форсирования. Форсировка может привести как к уменьшению, так и к увеличению моторесурса двигателя, в зависимости от того, какие именно работы производятся.

Ресурс любого двигателя напрямую зависит от режима эксплуатации автомобиля. Если машина эксплуатируется в нормальных, средних режимах на хорошем масле, то двигатель будет служить очень долго, а если это street racing, то извините.

К примеру, если взять заводской мотор и тюнинговый, собранный “с нуля” в специализированном центре опытными мастерами, то при одинаковых условиях эксплуатации второй двигатель пройдет в два раза больше. Это означает, что ресурс тюнингового двигателя примерно в два раза превышает заявленный заводом-изготовителем.

Причина этого в том, что при массовом производстве просто нет времени возиться с каждым мотором, выверяя доли миллиметров в зазорах, подбирая поршни по весу. Особенно это актуально для российского автопрома, где основная задача – не обеспечить точность и надёжность, а “уместить” выпускаемую продукцию в так называемое “поле допусков”, а поле это оказывается, в свою очередь, весьма и весьма широким.

Получив доработанный (особенно в сторону более динамичной езды) двигатель, автовладелец неосознанно начинает менять стиль вождения, увеличивая нагрузку на двигатель и другие узлы автомобиля (нога сама давит на педаль газа). Ездить спокойно на тюнинговом автомобиле способны немногие, а это, в свою очередь, снижает ресурс узлов автомобиля.

Снижение расхода топлива

Существенное снижения расхода топлива было достигнуто благодаря внедрению в конструкцию ряда технических новшеств. Первым шагом стал переход от карбюраторных двигателей к впрысковым. Современные системы впрыска обеспечивают подачу топлива в цилиндры под высоким давлением, в результате чего происходит его тонкое распыление и хорошее смешивание с воздухом.

В ходе такта сжатия топливо впрыскивается в камеру сгорания точно дозированными порциями до 5-7 раз. Использование наддува, увеличение числа клапанов, повышение степени сжатия также позволили более полно сжигать рабочую смесь. Оптимизация формы камеры сгорания, днища поршней, применение систем с регулируемыми фазами газораспределения способствовали улучшению процессов смесеобразования. В результате двигатель может работать на более бедных смесях, экономя топливо и снижая выброс вредных веществ.

Широко применяется в современных автомобилях система старт-стоп, дающая заметную экономию топлива в городском режиме движения. Эта система автоматически выключает двигатель при остановке автомобиля. Запуск производится при нажатии на педаль сцепления (в автомобилях с механической коробкой передач) или при отпускании педали тормоза (в автомобилях с автоматической коробкой).

Система рекуперации энергии торможения, впервые появившаяся на гибридных автомобилях, постепенно перекочевала и на обычные. Кинетическая энергия замедляющегося автомобиля, которая раньше растрачивалась на нагрев деталей тормозной системы, сейчас преобразуется в электрическую и используется для подзарядки аккумулятора. Расход топлива снижается до 3%.

Важным обстоятельством является то, что улучшение технических характеристик двигателей происходит при неуклонном снижении их объема. Например, фольксвагеновский мотор 1,4 TSI, признанный лучшим двигателем 2022 года, при объеме 1390 куб.см развивает мощность до 178 л.с.

То есть, с каждого литра снимается 127 л.с.! Удельный расход топлива за прошедшие 20-30 лет был снижен почти в два раза. А раз снижается потребление топлива, соответственно снижается и выброс вредных веществ, да и запасы нефти можно растянуть на больший срок.

Увеличение мощности двигателя присадками

Существует более простой и экономичный вариант мощностного тюнинга двигателя автомобиля — “восстанавливающий мощностной тюнинг”. Суть заключается в обработке двигателя и узлов трансмиссии модификаторами трения “ЭДИАЛ”. Наши препараты позволяют увеличить мощность и приемистость двигателя и узлов трансмиссии.

Результат Вы почувствуете обязательно, особенно если авто уже с большим пробегом и «резвость» железного друга заметно понизилась. При этом отпадает необходимость в выполнении многих трудоемких операций, что существенно отражается на цене. Такой мощностной тюнинг доступен любому автовладельцу и его можно осуществить своими силами. Дополнительные десятки лошадей под капотом Вы не получите, но 3-5% увеличения мощности вполне достижимо.

Принцип действия модификатора трения ЭДИАЛ для двигателя хорошо известен: благодаря специальным свойствам состава, изношенные поверхности пар трения восстанавливаются до оптимальных размеров, причем такой точности соответствия поверхностей невозможно добиться механической обработкой. Полученный в результате обработки новый рабочий слой устойчив к коррозии и имеет низкий коэффициент трения.

Применение препарата позволяет устранить износ двигателя, очистить его от нагара. А за счет свойств образовавшегося слоя на поверхностях пар трения существенно повышается мощность двигателя. Это расходовавшаяся ранее мощность на преодоление трения переходит в полезную.

Конечно, этого не достаточно для того чтобы стать матёрым уличным гонщиком, но  получение удовольствия от возросшей динамики разгона и повышения порога максимальной скорости гарантировано практически для всех пользователей автохимии ЭДИАЛ. К тому же, применение препарата не требует дополнительных вложений в «доводку» подвески и тормозной системы.

Получение удовольствия от возросшей динамики разгона и повышения порога максимальной скорости гарантировано. Особенно заметны изменения при применении автохимии на малолитражных двигателях, т.к. они работают на пределе своих мощностных возможностей и на них хорошо чувствуются изменение динамики двигателя.

Форсировка «среднего» двигателя

Двигатель объемом 1800 см3 (колен. вал с ходом 80мм, поршень 84 мм) больше подходит для сторонников экстремальной езды или людей которым не жалко в скором будущем выкинуть свой блок цилиндров на помойку. При таком  литраже  крутящий момент позволяет “переключаться” на повышенные передачи даже при небольших оборотах.

Совершенно спокойно можно установить распредвал с подъёмом клапанов от 12 мм.Холостые обороты конечно будут не устойчивые, но терпимые. В среднем нужно устанавливать 1000-1100 об/мин двигатель прекрасно их держит. А вот ресурс такого двигателя, к сожалению, оставляет желать лучшего. Бывали случаи, когда на высоких оборотах коленвалы с такими ходами ломались пополам.

Можно установить воздушный фильтр нулевого сопротивления, раздельный выпускной коллектор (“паук” 4-2-1) и прямоточную выхлопную систему, что позволит снизить потери на стадиях впуска и выпуска. В целом тюнинг впускной и выпускной системы достаточно дорог, а прибавку по мощности дает незначительную. Зато, при условии грамотной доработанной ГБЦ, автомобиль приобретает благородный, “породистый” голос.

А если ты только начинающий фанат street racingа и на капитальные затраты на тюнинг двигателя еще не уверен, что готов потратиться, или тебя просто не устраивает динамика автомобиля?  

Чип-тюнинг двигателя

Чип-тюнинг – это изменение характеристик двигателя автомобиля с помощью изменения калибровок программы блока управления двигателем, это самый простой способ сделать машину быстрее и динамичнее без серьезного вмешательства в конструкцию и больших затрат.

Самый распространенный вариант чип-тюнинга — прибавка мощности двигателя, вместе с которой обычно обещают и ряд других улучшений: от увеличения тяги на низких оборотах до уменьшения расхода топлива. Процедура перепрограммирования занимает не больше часа, а все, что нужно сделать с машиной, — подключиться к ее электронной начинке. «Чип-тюнинг позволяет взять то, что изначально присутствует в двигателе, но зажато экологическими требованиями.

В электронный блок управления впрыском и зажиганием заложена программа (алгоритм) его работы. Программа работы микропроцессора хранится в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и представляет собой собственно программу обработки данных (“софт” или ПО) и одно, двух и трехмерные таблицы с данными (калибровки).

Блок управления, получая сигналы от различных датчиков, управляет работой исполнительных устройств для обеспечения оптимальной (по мнению разработчиков) работы силового агрегата. Необходимые параметры для управления исполнительными устройствами вычисляются в соответствии с полученными данными и коэффициентами коррекции, заложенными в ПЗУ.

Для получения других мощностных характеристик можно изменить установку угла опережения зажигания, величину времени впрыска, отключить или изменить режим работы систем, контролирующих токсичность выхлопных газов. Кроме того, можно изменить обороты холостого хода, максимально разрешённые обороты двигателя и массу других параметров.

Электрический парус

Солнце излучает не только фотоны, но также и электрически заряженные частицы вещества: электроны, протоны и ионы. Все они формируют так называемый солнечный ветер, ежесекундно уносящий с поверхности светила около одного миллиона тонн вещества.

Солнечный ветер распространяется на миллиарды километров и ответственен за некоторые природные явления на нашей планете: геомагнитные бури и северное сияние. Земля от солнечного ветра защищается с помощью собственного магнитного поля.

Солнечный ветер, как и ветер воздушный, вполне пригоден для путешествий, надо лишь заставить его дуть в паруса. Проект электрического паруса, созданный в 2006 году финским ученым Пеккой Янхуненом, внешне имеет мало общего с солнечным. Этот двигатель состоит из нескольких длинных тонких тросов, похожих на спицы колеса без обода.

Благодаря электронной пушке, излучающей против направления движения, эти тросы приобретают положительный заряженный потенциал. Так как масса электрона примерно в 1800 раз меньше, чем масса протона, то создаваемая электронами тяга не будет играть принципиальной роли.

Хотя эта тяга будет примерно в 200 раз меньше, чем таковая у солнечного паруса, проект заинтересовал Европейское космическое агентство. Дело в том, что электрический парус гораздо проще сконструировать, произвести, развернуть и эксплуатировать в космосе.

Кроме того, с помощью гравитации парус позволяет также путешествовать к источнику звездного ветра, а не только от него. А так как площадь поверхности такого паруса гораздо меньше, чем у солнечного, то для астероидов и космического мусора он уязвим куда меньше. Возможно, первые экспериментальные корабли на электрическом парусе мы увидим уже в следующие несколько лет.