Современные направления совершенствования двигателей внутреннего сгорания в условиях технического прогресса и топливно-энергетического кризиса.

Снижение расхода топлива и выброса вредных веществ в последние 10-20 лет стало одной из актуальных проблем для ведущих мировых производителей и потребителей автотранспортных средств Постоянное ужесточение экологических требовании в связи с глобальным загрязнением планеты и «парниковым» эффектом, а также обострение общемирового энергетического кризиса активизировали в последние годы 20-го столетия поиск новых решений.

К настоящему времени успехи в развитии ЛВС были достигнуты в упорной конкурентной борьбе с другими видами энергоустановок. В 1970-е годы ведущие зарубежные фирмы, особенно американские (см. таблицу 10), вели интенсивные исследования по возможной замене традиционных ДВС другими силовыми установками такими как: двигатели на аккумуляторах, автомобильные газотурбинные двигатели, двигатели Стирлинга, двигатели Ренкина и силовые установки других конструкций, а также и на топливных элементах.

Основными показателями поршневых ДВС, которые обеспечили им преимущество перед другими типами силовых установок, к настоящему времени являются:

-топливная экономичность и удовлетворение международным требованиям по экологии;

- низкая удельная стоимость (цена/кВт энергии);

- высокая объёмная (массовая) энергоёмкость (кВт/кг, кВт/м¹);

- неиспользованные резервы дальнейшего развития и совершенствования конструкции.

Именно эти эколого-экономические показатели поршневых ДВС пока и позволяют рассматривать их на ближайшую перспективу как основной вил источников энергии для автотранспортных средств. Ежегодное мировое производство ДВС сегодня превышает 50 млн. единиц, а парк мировой автотранспортных средств уже превышает 600 млн. штук.

Существенный рост КПД бензиновых двигателей и приближение их показателей к дизельным двигателем по экономичности было достигнуто благодаря:

- переходу на впрыск топлива во впускной трубопрово или непосредственно в цилиндр с поэтапным повышением давления впрыска;

- эффективности использования наддува, в том числе двухступенчатого и комбинированного;

- переходу на четырёхклапанное газораспределение;

- повышению степени сжатия до 11-13;

- расширению пределов эффективного обеднения смеси за счет повышения турбулентности заряда в цилиндре.

Таблица 10

Продолжение таблицы 10

П - плохое; У - удовлетворительное; Х - хорошее; О - отличное; ОЗ - отличное, но с задержкой; ОД - отличное, но дорогое.

Значительные резервы по дальнейшему повышению характеристик ДВС могут быть реализованы за счёт совершенствования электронного управления системами двигателей. Так в последние годы появились в производстве системы с управляемыми фазами газораспределения, и многие фирмы выпускают двигатели с достаточно эффективными механизмами и системами с электронным управлением.

Следует отметить, что за прошедшие 30 лет, с начала топливного кризиса в 1978 году расход топлива легковыми автомобилями был снижен примерно в 2раза. На рисунке 3 в качестве подтверждающего примера результативности работ по снижению расхода топлива приведены величины путевых расходов приведённые к 1000 кг массы автомобиля. На графике приведены результаты всех мероприятий как по развитию конструкций систем двигателей, так и за счет совершенствования трансмиссии, новых шин с пониженным коэффициентом сопротивления качению, и улучшенной аэродинамики автомобиля, и, безусловно, это связано с повышением КПД двигателя за счёт улучшения рабочих процессов.

Рис. 3 Достигнутые и прогнозируемые уровни топливной экономичности автомобилями условной массой 1000 кг.

Однако до настоящего времени не освоены наиболее эффективные методы повышения КПД, как существующих, так и других конструкций ДВС, т.к. не были созданы работоспособные конструкции регулирования степени сжатия и рабочего объема. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что за счет регулирования степени сжатия и рабочего объёма, при оптимальном регулировании показателей (или параметров) рабочего процесса ДВС − может быть улучшена эксплуатационная топливная экономичность и обеспечено снижение вредных веществ и парниковых газов (СО₂) в условиях городского движения, соответственно на 20, 35 и 40%!

Экспериментальные данные по количественному снижению расхода топлива, а также снижению СО₂; при изменении степени сжатия от 7 до 14 единиц на режиме холостого хода, и малых нагрузок, которые составляют более 30% в Европейском ездовом цикле, показывают возможность снижения расхода топлива на 25-40% на этих режимах.

Практическая реализация идеи − регулирование степени сжатия и рабочего объема − чрезвычайно сложная научно-техническая задача. Появление систем регулируемых фаз газораспределения и регулируемого наддува на перспективных конструкциях двигателей с регулируемой степенью сжатия позволит в комплексе достичь еще большей экономии топлива в городских условиях.

В настоящий период времени, то есть в начале XXI века дополнительно возникла необходимость решения проблем использования альтернативных видов топлив. В этот период от этапа совершенствования конструкции двигателя переходят к решению проблем энергетического кризиса, к созданию двухтопливных модификаций ДВС с конечной целью перехода на водородосодержащие топлива и на водород.

Многие видят в водороде, используемом в двигателях внутреннего сгорания или генерирующем электроэнергию в топливных элементах, долгосрочное решение проблемы. Однако на сегодня водород сложно и дорого получить в больших количествах, опасно перевозить и трудно, и сложно хранить. Хуже всего то, что раньше чем через 15-20 лет он, видимо, не найдет широкого распространения в автомобильном транспорте.

В этой связи большой интерес представляет создание принципиально новой системы организации рабочего процесса за счет активации рабочего заряда смеси в двигателях с принудительным зажиганием путем добавок в топливо водорода или синтез газа, получаемого из метанола на борту автомобиля в термохимических реакторах с использованием тепла отработавших газов. В этом случае обуславливается реальная возможность утилизации «бесплатной» тепловой энергии ОГ для организации конверсионного процесса, исключающая необходимость в дополнительном источнике теплоты. Учитывая низкую энергоемкость процесса конверсии метанола, высокое содержание в нем водорода и масштабы его промышленного производства, данное соединение является наиболее предпочтительным источником дешевого водородного топлива.

Данными математического моделирования, подтвержденными результатами экспериментальных исследований, установлено, что при применении опытной системы практически более 15% (теоретически в пределе 21,4%) энергии ОГ может быть регенерировано и возвращено в виде химической энергии конвертированных продуктов (водородсодержащего газа) в рабочее пространство двигателя для повторного участия в организации его рабочего цикла.

Разрабатываемая система позволит улучшить параметры горения смеси и повысить КПД двигателя и топливную экономичность Система также позволит снизить выброс двигателем оксида и диоксида углерода, углеводородов и, что особенно важно, оксидов азота в среднем на 30-60%. Эта система также позволит значительно уменьшить габариты и стоимость, а может быть даже и отказаться от дорогостоящей системы нейтрализации отработавших газов.

На рисунке 4 представлены основные направления перспективного развития ДВС.

Рис. 4. Стратегия и технология развития автомобильных двигателей традиционной конструкции и силовых установок нового поколения

Вопрос, связанный с необходимостью значительного снижения расхода топлива будет существовать всегда и поэтому появившиеся комбинированные энергоустановки КЭУ следует рассматривать как одну из альтернативных конструкций силовых установок на базе ДВС.

Однако еще одним перспективным направлением повышения экономичности силовых установок транспортных средств является создание модульных схем. С точки зрения энергетических затрат модульная схема силовой установки (МСУ), приведенная на рисунке 5, безусловно усложняется за счёт автоматизированного сцепления, но она базируется на существующем хорошо отлаженном массовом производстве традиционного поршневого двигателя. Если сравнивать экономически, то модульная установка существенно дешевле для существующего производства, чем организация нового производства КЭУ. С электроприводом значительно удорожается стоимость автомобилей, так как в этом случае, добавляется 250 килограмм к общему весу силовой установки автомобиля, а экономия топлива составляет те же 30-35%, что и в первом случае с модульной схемой на базе традиционного ДВС.

Рис. 5 Схема МСУ и типичные режимы движения автомобиля

в городских и магистральных условиях.

В мировой практике изобретении рассматриваются различные возможные варианты компоновки МСУ, и они доказывают необходимость активизации проведения этих работ одновременно с разработкой механизма автоматического изменения степени сжатия. Подтверждением продолжающейся последние годы активной работы в этом направлении является последнее объявление фирмы Мерседес-Бенц о создании совершенно нового бензинового двигателя. Двигатель Мерседес-Бенц DiesOtto представляет собой усовершенствованную конструкцию двигателя с искровым зажиганием, которая включает в себя непосредственный впрыск топлива, турбонаддув, регулирование времени открытия и закрытия клапанов, переменную степень сжатия и может работать вместе с гибридным интегрированным модулем стартер/генератором. Как и дизель, новый двигатель отличается весьма эффективным процессом сгорания. Так 4-х цилиндровый двигатель с рабочим объёмом 1800 см³ развивает мощность 238 л.с. (175 кВт) при крутящем моменте 400нм, а автомобиль класса S-массой примерно 1500 кг имеет расход топлива 6л/100 км. Таким образом, на автомобиле массой 1000 кг расход топлива может составить около
4-4,5л/100 км.

Хотим мы, или не хотим, воспринимать старые идеи в новом качестве, но сегодня уже вновь считается основным и важным направлением развитие работ по обеспечению гомогенного смесеобразования и сгорания, что позволяет достичь минимальные выбросы вредных веществ за счет полною сгорания углеводородов. Исследованиями в этом направлении в настоящее время активно занимаются практически все ведущие моторостроительные фирмы. Успешное решение вышеназванных проблем приводит нас к вопросу связанному с выбросами оксидов азота, которые достаточно успешно решаются новыми процессами гомогенизации с повышением коэффициента избытка воздуха, что обеспечивает значительное снижение температуры процесса сгорания, т.е. NО_х.

Происходящее в настоящее время существенное сближение конструкций и рабочих процессов бензиновых и дизельных технологий обеспечивает создание на их базе двухтопливных модификаций и открывает возможность проведения новых исследовательских работ по созданию универсальных систем питания ДВС и их многотопливных модификаций.

На рисунке 6 приведена схема и последовательность этапов перспективных научно-исследовательских работ по созданию двухтопливных и многотопливных модификаций двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 6 Схема разработки и создания модификаций ДВС,

работающих на различных видах топлива.

Анализ путей повышения экономических и экологических показателей ДВС в условиях технологического прогресса и топливно-энергетического кризиса позволит выявить наиболее экономически целесообразные направления их развития: применение двигателей с переменной степенью сжатия, использование модульных схем силовых установок транспортных средств, а также переход на альтернативные виды топлива не нефтяного происхождения, в частности, метанол и получение из него на борту автомобиля водородосодержащего газа для питания ДВС.

Список литературы к введению

1. Кутенев В.Ф., Кисуленко Б.В, Шюте Ю.В. «Экологическая безопасность автомобилей с двигателями внутреннего сгорания», 2009 г., «Наука».

2. Кутенев В.Ф. и др. «Перспективные экономически целесообразные направления комплексного совершенствования ДВС в современных условиях технологического прогресса и топливно-энергетического кризиса», Известия МГТУ «МАМИ», № 2, 2007 г., г. Москва.

3. Ипатов А.А., Кисуленко Б.В, Кутенев В.Ф., Шюте Ю.В. Глобализация экологических требований к конструкции автотранспортных средств, их производству и эксплуатации//Автомобили и двигатели: Сб. научн. тр./НАМИ. – 2003. – Вып. 231. – С. 3-15.

4. Кутенев В.Ф. Учебное пособие по испытаниям автомобильных двигателей на токсичность – М., МАМИ, 1998. – С. 10-14.

5. Кутенев В.Ф., Звонов В.А. Экологические аспекты применения моторного топлива на транспорте/Межвуз. Сб. науч. тр.
– 1998. – № 14. – С. 150-160.

6. Кутенев В.Ф. Этапы снижения токсичности автомобилей и двигателей: Докл. симпозиума с участием специалистов стран СЭВ. – 1981.
– С. 3-8.

7. Правила № 83.05 ЕЭК ООН.

8. Гусаров А.П. Перспективы снижения выбросов диоксида углерода автомобилями //Ж. ААИ. – 2002. – № 2. – С. 34-35.

9. Звонов В.А., Козлов А.В., Кутенев В.Ф Экологическая безопасность автомобиля в полном жизненном цикле. – М., НАМИ, 2001.

10. Правила № 100 ЕЭК ООН.

11. Эйдинов А.А. Перспективы развития автомобилей. Докл. Международной научно-технической конференции «100 лет российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа». МГТУ МАМИ, 1996 г.

12. Ксеневич И.П. и др. EVS-16; тенденции и стратегия развития электромобильной техники. «Приводная техника», № 11/12.

13. Иванов А.М. Ледоренко Н.С. и др. Современная концепция развития городского электротранспорта МНПО «ЭКОНД», 2003 г.

14. Учебное пособие Эйдинов А.А. и др. «Автомобили с комбинированными энергоустановками» МАДИ, 2012 г.

ГЛАВА I. РАЗВИТИЕ АВТОМОБИЛЕЙ С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО И ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ (КЭУ последовательной и параллельной схем)