Кпд современных двс: КПД двигателя внутреннего сгорания. Сколько приблизительно равен, а также мощность в процентах
КПД двигателя и топливная эффективность
КПД (коэффициент полезного действия) — это степень эффективности использования энергии топлива в моторе, чем он выше, тем больше тепловой энергии от сограния топлива преобразуется в двигателе в механическую энергию вращения главного вала. Тем меньше потребляет топлива мотор на единицу выдаваемой мощности.
СТАТЬЯ №1
КПД ДВИГАТЕЛЯ – ТЮНИНГ ГЛОБАЛЬНЫХ ИДЕЙ,
Есть ли перспективы совершенствования двигателей?
Современные двигатели внутреннего сгорания еще много десятилетий назад – с появлением непосредственного впрыска и систем турбонаддува поступающего в цилиндры воздуха, достигли сегодняшних значений КПД и топливной эффективности. Поэтому на сегодняшний день мировые корпорации – производители двигателей для автомобилей и прочей техники тратят огромные деньги и многие годы усилий, чтобы за счет больших затрат и значительного усложнения конструкции двигателей повысить КПД всего на 2 – 3 %. Усилия и затраты оказываются совершенно не сравнимы с получаемым результатом.
Кстати именно поэтому во всех крупных странах действует целая индустрия «тюнинга двигателя», т.е. огромное количество мелких фирм, полукустарных мастерских и отдельных спецов, которые берутся как-то довести стандартные двигатели массовых марок машин до более высоких показателей мощности, тяговитости и пр. Т.е. подвергают двигатель доводке, доработке, форсироанию и проч. ухищрениям, которые в народе определяеются как тюнинг двигателя.
Но все эти мероприятия и технические дествия над моторами очень стандартны по своей сути и всем этим тюнинг — идеям уже минимум по пол-сотни лет. Напомню, что турбонаддув поступающего в двигатель воздуха был успешно применен еще в 20-х годах прошлого века, а первый патент в США на такое устройство получил швейцарский инженер Альфред Бюхи аж в 1905 году… А системы прямого впрыска топлива в цилиндры массово применялись в поршневых моторах военной авиации уже в начальный период 2-й мировой войны.
Т.е. всем современным «передовым» техническим системам борьбы за повышение КПД и топливной эффективности двигателей уже под сто лет, или даже более того. При всех этих ухищрениях общий КПД лучших бензиновых двигателей (с искровым принудительным зажиганием) не превышает 25-30 %, а КПД лучших дизельных моторов в их самых экономичных крупногабаритных вариантах (у которых множество сложных дополнительных устройств) многие десятилетия ни как не может перевалить за 40-45 %. У малых дизелей КПД процентов на 10 ниже.В этой статье мы постараемся коротко и популярным языком изложить основные задачи и определить теоретические возможности создания двигателя внутреннего сгорания с уверенным КПД выше 50%.
* * *
Итак – КПД двигателя, если судить по учебникам для технических ВУЗов состоит из двух значений: термодинамического КПД и механического КПД .
Механический КПД же указывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно тратиться на преодоление различных механических сопротивлений и привод дополнительной техники в самом двигателе. Но почему-то во всех учебниках в понятие общего КПД не вводят понятие «топливная эффективность». То есть значение, которое будет показывать, какое количество топлива полезно сгорает и превращается в итоге в тепло и объем рабочих газов, а какое количество топлива не сгорает и идет на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Именно эту, несгоревшую часть топлива, в современных «высокоэффективных» автомобилях дожигают в катализаторах, которые устанавливаются в выхлопных трубах. Т.е. выхлоп за счет применения этих систем оказывается достаточно чистым, но топливную эффективность и КПД двигателя эта система ни как не повышает. А наоборот снижает – ибо чтобы «прокачать» порцию выхлопных газов сквозь «густую сетку» каталитических поверхностей, двигателю приходится работать как солидному насосу и тратить на это дело немалую часть своей мощности.
Конечно, в формулах подсчета КПД эта категория как-то присутствует, но присутствует не явно и робко. Например в такой форме, как, например, в одной из формул общего теплового баланса имеется составляющая «Q н.с. — тепло, получаемое при неполном сгорании». Но все эти подходы страдают некоей нечеткостью, поэтому я постараюсь изложить все предельно четко и максимально системно.Итак, общий КПД двигателя будет раскладываться на 3 основные части:
— топливная эффективность;
— термический КПД;
— механический КПД;
Суть этих значений такова:
Термический КПД – показывает, какое количество тепла, полученого от сжигания топлива, превращается в полезную работу, а какое – бесполезно рассеивается в окружающем пространстве;
Механический КПД – показывает, какое количество механической работы превращается в силу крутящего момента на главном валу и передается потребителю, а какое – бесполезно расходуется на трение или затрачивается на привод обеспечивающих механизмов;
Рассмотрим, кратко все эти позиции:
Топливная эффективность – на эту тему внятных данных, ни в старых советских учебниках по теории и расчету ДВС, ни в бесконечных ресурсах современного интернета найти не удалось. Внятные и осмысленные данные удалось обнаружить в тех сведениях по расчету каталитических дожигателей несогоревшего топлива для современных автомобилей. Ведь им же надо четко расчитывать производительность своих дожигателей на некий объем поступающих несгоревших в двигателях углеводородов. Так вот, из этих данных следует, что поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду).
Термический КПД – в среднем поршневые двигатели обладают этим КПД в размере 35-40%. Т.е. около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающюю среду через систему охлаждения и с выхлопными газами
. Механический КПД – в среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомгательных механизмов двигателя.
В итоге – по сумме термических и механических потерь современные поршневые двигатели небольших размеров и мощностей имеют КПД не более 30%.
В крупных двигателях, типа судовых дизелей или больших двигателей железнодорожных локомотивов и грузовых автомоилей, энергию экономить проще, но о них мы говорить не будем.
Но – значение КПД в 30% не учитывает долю не сгоревшего топлива, т.е. не принимает во внимание полноценность сгорания паров топлива в двигателе. Полагаю, что с учетом этого параметра, значение реального КПД поршневых бензиновых двигателей будет не выше 20%, а дизелей — чуть больше, примерно на 5-7 %.
Результат — это лучше чем паровые машины на угле с их 7-8% КПД, но все равно еще очень мало.
Задумаемся – почему в понятие КПД не вошла указанная «топливная эффективность»? Почему понятие КПД явно пропускает мимо своего внимания долю топлива, которая не дает «взнос» своей части в процесс горения и образования тепла? Т.е. из понятия КПД выпадает большая часть потерь современных двигателей и цифры современных значений КПД без учета этих потерь явно завышены?
Истина кроется в самом значении термина «коэффициент полезного действия». Т.е. это определение доли полезной работы – «действия», и доли бесполезной работы. Какая- то работа или выделение энергии идет на пользу, а какая-то (например – на преодоление трения, или энергия тепла, теряемая с выхлопом) – идет без пользы, но она есть и эта энергия осязаема и учитываема. Но вот потери от не сгоревшего топлива не проявляются ни в виде бесполезного тепла или не целевой работы. Эти «минусы баланса» — это никак не потери работы или убытки тепла.
А на самом деле суммарная эффективность современных ДВС оказывается заметно ниже, чем постулируемый повсеместно КПД в 35-40 % эффективности. Ведь учитывается только и полезное действие и теряемая зря энергия и лишняя работа, производимая за счет сгоревшей части топлива. А вот потери не сгоревшей части топлива из общего баланса топлива, поступившего в двигатель, так полноценно и не определяются…
РЕВИЗИЯ И ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В ПОРШНЕВОМ ДВС
Постараемся кратко рассмотреть и проанализировать все потери энергии, заключенной в топливе, поочередно по позициям, изложенным выше.
И затем — обдумать возможности избавления от этих потерь. Т.е. постараемся сформулировать концепцию и набросать общие черты совершенного двигателя.
* * *
Первый уровень потерь – неполное сгорание топлива в камерах сгорания двигателя. Все специалисты знают – что топливо в современных двигателях сгорает неполноценно и часть его идет на выхлоп с отработавшими газами. Именно поэтому современные ДВС отравляют воздух продуктами неполного сгорания углеводродов и для получения «чистого выхлопа» в выхлопную трубу современных авто ставят каталитический дожигатель, который «дожигает» топливо на поверхностях своих активных элементов. В итоге- топливо, не сгревшее в цилиндрах, бесполезно окисляется в этих катализаторах. Зато выхлоп становится чище. Но и цена этих катализаторов с поверхностями из родия и платины- весьма высока и работают они ограниченный срок.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях топливо сгорает не полностью. Что мешает реализации процесса полноценного сгорания?
Основная трудность в поршневых двигателях на эту тему – нехватка кислорода для горения, а так же осуществление процесса горения в одном технологическом такте с расширением газов горения. Последнюю ситуацию можно описать и другими словами- Рабочей Смеси не хватает времени для полноценного сгорания. Эти «родовые болезни» поршневых двигателей практически неизлечимы, поэтому инженерная мысль за более 120 лет попыток от них избавиться так и не нашла способа сделать это.
Рассмотрим подробно этот недостаток: итак при нахождении поршня в Верхней Мертвой Точке (ВМТ), сжатая Рабочая Смесь (РСм) поджигается. Начинается процесс горения, который течет какое –то время. Примерное горание Рабоч СМеси в современном высокооборотном моторе длиться около миллисекунды – 0,001 сек. А вообще все 4 такта происходят за 0,02-0,04 сек.
Известно, что для полноценного и полного сгорания паров топлива желательны высокая температура и высоке давление. Но сразу после прохождения поршнем ВМТ он начинает движение вниз со значительным увеличением объема надпоршневого пространства. Т.е. по мере распространения фронта горения Рабочей Смеси (РСм) в камере сгорания первые порции сгоревшей РСм будут гореть при высокой температуре и большом давлении. Но вот последние порции горящей РСм оказываются в условиях резко снижающегося давления и падающей температуры. Соответственно – полноценность горения резко падает, а то и прекращается вообще. По этой причине часть РСм сгореть не успевает или сгорает не полноценно. Поэтому часть паров топлива идет в выхлопную трубу и в выхлопных газах непременно присутствуют продукты не полного сгорания углеводородов топлива. Итог – часть топлива не сгорает и не превращает свою энергию в тепло, а затем — во вращение главного вала двигателя, а только загрязняет и отравляет окружающий воздух. Устранить этот недостаток практически невозможно, так как сама принципиальная конструкция поршневого двигателя предполагает важнейшим принципом соединение в одном технологическом такте «горение – расширение» двух разных процессов: горения и расширения продуктов горения.
Эти процессы трудно объединить, так как каждый из них оптимально протекает в условиях взаимоисключающих оптимальные условия для другого процесса. Действительно – процесс сгорания сжатого заряда РСм будет лучше всего происходить в запертой камере неизменного объема. В термодинамике этот процесс определяется как «изохорный» процесс. Т.е. заряд РСм будет сгорать полностью и переводить в тепло и давление всю энергию химических связей углеводородов топлива в замкнутой камере в условиях резко нарастающих давления и температуры.
А процесс расширения будет лучше всего происходить в условиях невысокой температуры (для обеспечения смазки скользящих и трущихся поверхностей рабочих элементов двигателя), при легком движении главного рабочего органа (поршня).
Как видим – в поршневых двигателях оба эти условия полноценно не могут соблюдаться, поэтому объединенный процесс «сгорания- расширения» идет по «компромисному сценарию», когда для каждого из процессов создаются мало подходящие условия, но в итоге- они все же позволяют как-то реализовывать течение этих совместных процессов хотя бы на 50% эффективности.
В итоге – процесс работы современного поршневого двигателя- это технологии сплошных трудных компромиссов и значительных потерь. В итоге такого «компромисного брачного союза» с потерями для обеих участвующих в деле сторон мы получаем следующий результат:
— горение происходит в условиях резкого расширения камеры сгорания, да еще при значительно низкой температуре стенок цилиндра. В итоге- топливо сгорает не полноценно и малоэффективно, да еще и часть тепла от сгоревшего топлива теряется при нагреве холодных стенок охлаждаемого цилиндра. Т.е. горение происходит в крайне неэффективных условиях.
— расширение происходит в условиях высоких температур от совмещенного с расширением процесса горения. Именно поэтому стенки цилиндра приходится охлаждать, ибо масло для смазки трущихся поверхностей поршня и цилиндра при температуре более 220 С°, теряет свои «скользкие свойства» и трение начинается «на сухую», а обугленное масло спекается в твердые частицы, которые еще больше начинают мешать этому процессу.
Отчасти выход из тупика процесса «горения – расширения» находят, устраивая «раннее зажигание», чтобы как можно меньшая часть горения РСм происходила на линии скоростного расширения и высокого увеличения объема камеры сгорания. Но это вынужденная и чреватая иными побочными неприятностями схема. Так как «ранее зажигание» предполагает поджиг РСм и создание начального этапа рабочего давления газов горения еще до прихода поршня в ВМТ, т.е. на завершающем этапе такта «сжатие». Следовательно, инерции работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) приходится преодолевать это возникающее давление горящей РСм и сжимать за счет инерции вращения КШМ или работы других поршней, начавшую расширяться горящую РСм. Итог этого компромисса- резкое увеличение нагрузок на коленвал, поршни, шатуны и пальцы КШМ, как и уменьшение КПД. Т.е. двигатель оказывается ареной противоборства разнонаправленных сил.
Другая трудная тема поршневых двигателей – это нехватка кислорода. Правда, она характерна только для бензиновых двигателей (двигателей работающих с принудительным искровым зажиганием), дизели (двигатели работающие с воспламенением от сжатия) лишены этого недостатка.
Но зато дизели взамен приобрели немало иных трудностей — большой вес, громоздкость и внушительные габариты. Действительно – эффективного дизеля приемлемых габаритов объемом менее 1,2 литра никому создать не удалось… Это двигатель самого маленького дизельного автомобиля Audi-А2. А уход дизелй в совсем малые габариты имеет перчальный результат. Так — малые дизеля Владимирского тракторного завода Д-120 (они ставятся на мини-трактора) при мощности 25-30 л.с. имеют вес 280-300 кг. Т.е. на одну лошадиную силу мощности приходится 10 кг веса. У других производителей во всем мире положение похожее.
Итак, топливо сгорает не полностью, когда РСм «богатая», т.е. в ней много паров топлива и мало воздуха (кислорода). Такая РСм не имеет шансов сгореть полностью, для окисления углеводородов топлива просто не хватает кислорода. Итог — не сгоревшие по этой причине пары топлива идут на выхлоп. Но зато такая РСм горит быстро, хотя и неполноценно. Значит большая часть паров топлива все же сгорает и дает нужное давление и температуру.
Можно пойти другим путем — сделать «бедную смесь», т.е. в РСм будет много воздуха (кислорода) и мало паров топлива. В итоге в идеальном случае такая РСм будет иметь возможность сгореть полностью — все пары топлива сгорят на 100% с полным КПД. Но у такой РСм есть большой недостаток – она горит гораздо медленнее «богатой смеси» и в условиях реально действующего поршневого двигателя, где горение идет на линии скоростного увеличения объема, такая РСм просто не успевает полноценного сгорать. Так как значительная часть горения такой РСм попадает за счет малой скорости в условия резкого нарастания объема камеры сгорания и падения температуры. Итог – РСм опять сгорает не полностью даже в варианте «бедной смеси» и заметная ее часть идет не сгорев на выхлоп. И опять топливная эффективность такого режима работы поршневого двигателя оказывается весьма низкой.
На малую обеспеченность процесса горения РСм кислородом играет так же способ управления карбюраторными двигателями- «количественный способ».
Для того чтобы сбросить обороты двигателя и уменьшить его «тягу», водитель прикрывает дроссельную заслонку, тем самым он ограничивает доступ воздуха в карбюратор. В итоге- опять нехватка воздуха для горения топлива и опять плохая топливная эффективность… Инжекторные двигатели отчасти лишены такого недостатка, но остальные беды поршневого мотора в них проявляются «по полной программе».
Путь избавления от этого недостатка:
Нужно разделить два предельно противоречивых рабочих технологических процесса — «горение – образование рабочих газов высокого давления и температуры» и «расширение рабочих газов высокого давления и температуры». Тогда оба этих процесса можно начать осуществлять в специализированных камерах и устройствах при наиболее оптимальных параметрах. Т.е. горение будет происходить «изохорно» — в запертом объеме, при нарастающем давлении и увеличивающейся температуре. А расширение можно будет производить в условиях невысоких температур.
В принципе идея совершить такое «великое разделение» формулировалась различными изобретателями и инженерами различных стран достаточно давно.
Например- разработки немецкой фирмы «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG», на тему поршневого двигателя с обособленной камерой сгорания. Но вот предложить теоретически красивую и технически работоспособную для реализации в металле схему, так пока никому не удалось. Та же немецкая фирмя «DIRO Konstruktions GmbH & Co. KG» начала получать патенты на свои разработки около 15 лет назад, но о реальных успехах в деле создания реально действующего двигателя у нее так и не слышно.
Итак- нужно обеспечить длительный процесс горения заряда РСм в запертом объеме – «изохорный процесс». В этих условиях можно будет сжигать заведомо «бедную смесь», с большим коэффициентом избытка воздуха, когда пары топлива будут сгорать полностью, давать максимально возможное количество тепла и газов горения, и при этом на выхлоп будут идти минимально токсичные продукты горения. Но это возможно сделать, лишь обеспечив достаточно длительное время горения заряда «бедной» РСм в запертом объеме при нарастающем давлении и значительной температуре.
Что в поршневом двигателе обеспечить практически не возможно.
* * *
Второй уровень потерь – значительные потери тепла, полученного от сгорания «усвоенного двигателем топлива».
Тепловой баланс бензинового двигателя складывается таким образом :
1) – тепло переводимое в полезную работу: 35%;
2) – тепло теряемое с выхлопными газами : 35%;
3) – тепло теряемое от потерь через систему охлаждения: 30%;
Задача – получить двигатель имеющий минимальные потери тепла во внешнюю среду. В идеале можно поставить задачу создать двигатель с термическим КПД в 80%. Но даже если удастся добиться этого показателя в 65-70%, вместо 35 % на сегодня, это будет огромный скачок вперед. Т.е. двигатель той же мощности при таком КПД начнет расходовать в 2 раза меньше топлива, чем прежде.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: Вначале рассмотрим — почему в традиционных поршневых двигателях такие большие потери тепла «на сторону»? Что приводит к такому печальному положению?
Первая категория тепловых потерь — потери тепла с отводом через стенки цилиндров с системой охлаждения.
Вообще для повышения значения термического КПД охлаждать двигатель не следует совсем. От этого температура деталей двигателя сразу поднимется- и от этого обуглится масло (которое создает пленку для легкого скольжения на поверхностях трения), и поршень перестанет легко двигаться в цилиндре и двигатель скоро заклинит. Здесь мы снова напарываемся на противоречия совмещения в одном такте двух процессов – горения и расширения. Температура во время вспышки горения в начальном периоде поджига РСм – достигает 3000 С°. А предельная температура масла, когда оно еще смазывает и спасает от трения, это 200 – 220 градусов. При превышении этого температурного порога масло начинает «гореть» и обугливаться. Для обеспечения высокого КПД двигатель охлаждать не разумно, но для обеспечения возможности движения основного рабочего органа – поршня, смазка жизненно необходима… Т.е. система охлаждения, позволяющая поршню двигаться в цилиндре — резко снижает термический КПД двигателя. Это осознанное и необходимое уменьшение КПД.
Вторая категория тепловых потерь – потери тепла с выхлопными газами. Температура выхлопных газов на выходе из цилиндров для разных типоразмеров и двигателей колеблется от 800 до 1100 С°. Поэтому в работающем на высоких оборотах двигателе выхлопные коллекторы порой начинают раскаляться до малинового свечения… Это значит только одно — энергия горения топлива, превратившаяся во внутреннюю энергию газов горения в виде их высокой температуры, теряется безвозвратно и совершенно бесполезно. Именно через этот канал «тепловых убытков» современные ДВС теряют около 35% энергии горения топлива. И превратить эту энергию в полезную работу чрезвычайно сложно, максимум, что удалось сделать – это вставить в выхлопной тракт турбину, которая крутит компрессор турбонадува. Этим достигается повышение давления воздуха, попадающего в цилиндры. И этим немного увеличивается КПД. Но – надо понимать, что турбина «улавливает» не повышенную температуру, а избыточное давление газов, покидающих цилиндр.
Т.е. это немного другая тема и экономия иного рода.
Таким образом оказывается, что поршневой мотор плохо «перерабатывает» не только температуру, но и высокое давление рабочих газов. На самом деле – на выхлоп идут рабочие газы с избыточным давлением в 8 – 10 атмосфер. Это очень немало, стоит только вспомнить, что первые паровые машины в начале 19-го века имели рабочее давление в 3 или 3,5 атмосферы и успешно работали на угольных шахтах и в металлургических заводах, как и двигатели первые паровозы.
Тут все дело кроется в одинаковых геометрических размерах объема сжатия и объема расширения. У поршневого двигателя они равны, и ничего тут не поделаешь. В идеале – эти объемы должны быть разными. Ухищрение типа цикла Аткинсона, когда в поршневых двигателях объем сжатия оказывается меньше, чем объем расширения, малоэффективны, так как резко снижают силу крутящего момента двигателя.
Но увеличение объема камеры расширения позволит лишь превращать в полезную работу весь излишек избыточного давления, а вот повышенную температуру раскаленных газов горения топлива этим методом утилизировать не удастся.
Единственно, что пришло на ум инженерам, так это для превращения высокой температуры в работу — впрыскивать в цилиндры воду. По идее: вода, превращаясь в пар высокого давления, будет резко повышать давление образовавшейся паро-газовой смеси и при этом значительно понижать её температуру. Но, в поршневом двигателе за более чем 80 лет усилий в этом направлении так ничего эффективного и работоспособного создать и не получилось. Поршневая схема двигателя внутреннего сгорания оказалась очень враждебной этой идее и не позволила встроить в цикл работы двигателя паровой такт или паровую фазу.
Надо сказать, что по основополагающему закону термодинамики, сформулированному почти 200 лет назад С. Карно, тепловой двигатель с предельно возможным КПД должен иметь максимальную температуру рабочих газов в начале рабочего цикла, и минимальную температуру рабочих газов в конце цикла.
Но в поршневом двигателе внутреннего сгорания максимально высокую температуру газов на первом этапе цикла мешает получить система охлаждения, а минимально избыточную температуру газов в конце цикла мешает получить невозможность встроить в схему двигателя паровую составляющую.
В итоге мы сегодня пользуемся двигателями с термическим КПД около 35%, не многим лучше, чем 60 или 70 лет назад…
Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, позволяющую проводить процесс сгорания топлива в теплоизолированной камере сгорания (для достижения максимальной температуры в начале рабочего цикла), а так же позволяющую включать на завершающем этапе работы горячих газов горения паровую фазу (для достижения минимальной температуры в конце рабочего цикла). Так же такая конструкция двигателя позволит обходиться без обособленной и громоздкой системы охлаждения, которая бы «выкидывала» тепло во внешнюю среду.
Заодно — двигателю не нужна будет громоздкая и тяжелая выхлопная труба, которая в традиционных поршневых моторах гасит грохот от отработавших газов, вылетающих «выстрелами» с избыточным двлением в 8-10 атмосфер. Ибо в предлагаемой конструкции избыточное давление выхлопных газов будет минимальным.
* * *
Третий уровень потерь – заметные потери мощности на преодоление сил трения, как и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, как и потери на привод вспомогательных механизмов. Эти потери определяются как механические потери. Они зависят от кинематической схемы двигателя. Но кроме собственно на механические потери, кинематическая схема и ее конструкция так же влияют на другой важнейший показатель работы, который не имеет прямого отношения к КПД: это режим и величина крутящего момента.
Задача – получить двигатель, имеющий минимальные механические потери. А так же обладающий постоянно действующим крутящим моментом высокого значения при небольших размерах самого двигателя. Высокий и стабильный крутящий момент позволяет обходиться без такой громоздкой и сложной системы транспортного средства как коробка переключения скоростей. Пример – транспорт с электродвигателями и паровыми двигателями.
Анализ сегодняшнего неблагоприятного положения: в стандартном поршневом (тронковом) двигателе реакция шатуна (поперечная составляющая этой реакции относительно оси цилиндра) на давление рабочих газов все время прижимает поршень то к одной стороне цилиндра, то к другой. Эта система работы двигателя требует постоянной смазки сильно трущихся поверхностей, и затрат на преодоление этих сил трения. Кроме того, при вращении кривошипа КШМ, проекция плеча, создающего крутящий момент, к вектору движения поршня все время меняется от «ноля» до «максимума» и обратно каждый рабочий ход. Такой все время скачкообразно пульсирующий режим крутящего момента малопригоден для привода исполнительных механизмов. И только на высоких оборотах поршневых двигателей сила крутящего момента заметно увеличивается. Но, высокие обороты (порядка 3-4 тыс. об. в мин.) не нужны большинству потребителей. Поэтому и приходится делать сложную и громоздкую коробку переключения передач, которая является неотъемлемой частью автомобилей, мотоциклов и пр.
Кроме того механический КПД заметно уменьшается за счёт отбора мощности двигателя на привод его вспомогательных механизмов — помпы системы охлаждения, вентилятора охлаждения, распредвалов и клапанов газораспределения, электрогенератора и пр. А еще заметные потери мощности вызывает необходимость сжатия рабочей смеси, и чем выше степень сжатия, тем эти потери выше. Кроме того, заметные потери мощности может вызывать излишне ранее зажигание, когда двигатель вынужден, в конце 2-го такта «сжатие», сжимать начинающие расширяться продукты горения.
Путь избавления от этого недостатка: необходимо создать конструкцию двигателя, в котором бы давление рабочих газов не прижимало главный движущийся рабочий орган к неподвижному корпусу. При этом двигатель должен отличаться такой конструкцией, которая бы позволяла иметь постоянное плечо крутящего момента на всем пути движения главного рабочего органа двигателя. При этом на таком пути давление рабочих газов должно осуществляться как можно дольшее время, в идеале – стремиться к 100%. Напомню, что у 4-х тактных двигателей из полного цикла двигателя из 2-х оборотов вала, давление на поршень действует лишь пол оборота, да и то в режиме передачи этого давления с нестабильным плечом крутящего момента.
ИТОГ:
ИТАК- сформулируем условия, которые выдвигает научный подход, для того чтобы создать двигатель с высоким КПД:
1) Основные технологические процессы двигателя «горение» и «расширение» должны быть разделены и разнесены для реализации в разные технологические камеры. При этом сгорание должно происходить в запертой камере, в условиях нарастающей температуры и увеличивающегося давления.
2) Процесс сгорания должен происходить достаточное время и в условиях избытка воздуха. Это позволит на 100% сжигать рабочую смесь.
3) Объем камеры расширения должен быть значительно больше камеры сжатия, минимум на 50%, Это нужно для полноценного перевода давления рабочих газов в работу на главном рабочем органе.
4) Должен быть создан механизм перевода высокой температуры выхлопных газов в работу на главном рабочем органе. Для этого есть только одна реальная возможность – подача воды для превращения высокой температуры газов горения в давление получаемого пара.
5) Рабочий орган и вся кинематика двигателя должны быть устроены таким образом, чтобы как можно больший период цикла двигателя рабочий орган воспринимал давление рабочих газов, а плечо перевода силы этого давления все время было максимально возможным.
После внимательной работы с этими требованиями теоретических подходов физики и механики на тему создания двигателя с высоким КПД, оказывается, что создать поршневой двигатель под такие задачи совершенно невозможно. Поршневой ДВС не удовлетворяет ни одному из этих требований. Из этого факта следует следующий вывод – необходимо искать более эффективные, альтернативные поршневой схеме, конструкции двигателя. И самая близкая к необходимым требованиям оказывается схема роторного двигателя.
В своей работе над концепцией совершенного роторного двигателя я как раз исходил из попытки учесть при создании концептуальной схемы двигателя необходимости реализации всех указанных выше теоретических предпосылок. Надеюсь, мне это удалось сделать.
Сравним содержание основных возможностей главных механизмов и технических принципов, применяемых в различных типах двигателей. Существующие моторы я буду сравнивать с концепцией совершенного роторного двигателя, над созданием которой тружусь уже некоторое количество времени.
СТАТЬЯ №2-1
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ: ВСЕ ХОРОШО В МЕРУ
Все мы привыкли к тому, что экономичный и мощный двигатель должен иметь высокую степень сжатия. Поэтому на спортивных автомобилях двигатели всегда имеют высокую степень сжатия, а тюнинг двигателей (форсирование) для повышения мощности стандартных моторов массовых серий предполагает прежде всего увеличение их степени сжатия.
Поэтому в широком массовом мнении закрепилась идея — чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше, так как это ведет к увеличению мощности мотора и повышению его КПД. Но — к сожалению, это положение верно лишь отчасти, а точнее, оно верно не боле чем на 50%.
История техники говорит нам, что когда в 1860-х годах появился первый ДВС Ленуара (который работал без сжатия), он лишь едва-едва превосходил по КПД паровые машины, а когда (через 15 лет) появился 4-х тактный ДВС Отто, работающий со сжатием, то КПД такой модели сразу превзошел на голову по экономичности все существовавшие тогда двигатели.
Но сжатие – не такой уж простой и однозначный процесс. Тем более, что достигать очень высоких степеней сжатия, не имеет смысла, да и это очень трудно технически.
Первое: чем выше степень сжатия – тем больше рабочий ход поршня в цилиндре. Следовательно – больше линейная скорость движения поршня на высоких оборотах. Следовательно – тем больше инерционные знакопеременные нагрузки, действующие на все элементы кривошипно-шатунного механизма. При этом — еще и повышаются уровни давления в цилиндре. Поэтому у двигателя с высокой степенью сжатия и длинным рабочим ходом все элементы и детали мотора должны быть повышенной прочности, т.е. толстыми и тяжелыми. Именно поэтому дизеля не бывают маленькими и легкими. Поэтому не создано малых дизелей для мотоциклов, для подвесных лодочных моторов, легкой авиации и пр. Именно поэтому подвергнутые серьезному тюнингу – «пережатые» стандартные авто моторы имеют столь малый моторесурс.
Второе: чем выше степень сжатия, тем сильнее риск детонации со всеми вытекающими разрушительными последствиями. Заправка бензином с невысоким качеством может попросту разрушить такой мотор. О детонации – читайте в специальной СТАТЬЕ. Т.е. на определенной степени сжатия приходится применять все более дорогой и специальный бензин или особые присадки к нему. В пятидесятые — шестидесятые годы магистральной линией двигателестроения, особенно в США, было повышение степени сжатия, которая к началу семидесятых на американских двигателях нередко достигала 11-13:1. Однако, это требовало соответствующего бензина с высоким октановым числом, что в те годы могло быть получено лишь добавлением ядовитого тетраэтилсвинца. Введение в начале семидесятых годов экологических стандартов в большинстве стран привело к остановке роста и даже снижению степени сжатия на серийных двигателях.
Однако – достигать предельно возможных степеней сжатия нет никакого смысла. Дело в том, что термический КПД двигателя нарастает с повышением степени сжатия, но не линейно, а с постепенным замедлением. Если при увеличении степени сжатия от 5 до 10 он повышается в 1,265 раза, то от 10 до 20 — только в 1,157 раза. Т.е. после достижения определенного порога степени сжатия ее дальнейшее повышение не имеет смысла, ибо выигрыш будет минимальным, а нарастающие трудности – огромными.
* * *
При внимательном анализе возможностей работы разных типов двигателей и поиске путей повышения их эффективности можно найти возможности, отличные от постоянного повышения степени сжатия. И они будут гораздо более эффективными и качественными, чем высокое повышение степени сжатия.
Для начала разберемся – а что дает собственно высокая степень сжатия. А дает она следующее:
— дает высокую длину рабочего хода, т.к. в поршневом двигателя длина хода сжатия равна ходу длины расширения;
— сильное давление в заряде рабочей смеси, при котором происходит сближение молекул кислорода и топлива. От этого процесс горения подготавливается лучше и идет быстрее.
По первой позиции можно дать такие комментарии: действительно, экономичность дизелей во многом обязана тому, что они имеют большую длину рабочего хода. Т.е. увеличение длинны хода расширения значительно более серьезно влияет на повышение эффективности и экономичности двигателя, чем повышение длины хода сжатия. Это дает возможность снимать с давления рабочих газов больше пользы – газы работают на большее перемещение поршня. И если в «бензиновых» моторах диаметр поршня примерно равен длине рабочего хода, с соответствующей «степенью сжатия» и «степенью расширения», которые привязаны к длине хода поршня, то в дизельных двигателях этот параметр заметно больше. У классических низкооборотистых дизельных двигателей ход поршня больше, чем диаметр поршня на 15-30%. В судовых дизелях эта разница приобретает вообще вопиющий размер. Например, у огромного 14-цилиндрового дизельного двигателя для супертанкера производства финской фирмы Wartsila, рабочим объёмом 25 480 литров и мощностью 108 920 л.с. при 102 об/мин., диаметр цилиндра составляет 960 мм., при ходе поршня — 2500 мм.
При этом напомню- что такие судовые дизеля работают на сырой нефти, которая может выдерживать очень высокую степень сжатия при таком огромном ходе поршня. Но увеличение степени сжатия имеет и свои неприятные стороны – требует применения дорогих высокооктановых сортов бензина, увеличения веса мотора, а так же немалых затрат мощности двигателя на процесс сильного сжатия.
Попробуем разобраться – а не получится ли достичь близкого, и даже большего эффекта в наращивании мощности и увеличения КПД двигателя иными способами, т.е. без излишнего увеличения степени сжатия с нарастанием присущего подобному процессу негатива. Оказывается, что такой путь возможен. Т.е. всех обоих положительных аспектов от наращивания степени сжатия можно получить иными путями и без присущих для наращивания степени сжатия неприятностей.
Рассмотрение первой позиции – большая длинна рабочего хода. Главное для экономичности – это большая длинна рабочего хода, чтобы все рабочие газы по максимуму передали давление на поршень. А в поршневом моторе рабочий ход равен длине хода сжатия. Вот как-то и закрепилось мнение, что важнее всего – степень сжатия, а не степень расширения. Хотя в поршневом двигателе — эти значения равны. Поэтому и разделять их не имеет особого смысла.
Но в идеале – лучше сделать эти длинны хода разными. Так как повышение хода сжатия ведет к массе неприятных последствий, то его сделать умеренным. А вот ход расширения, как отвечающий по максимуму за экономичность и эффективность, сделать максимально большим. Но в поршневом моторе это сделать практически невозможно (или сделать очень трудно и сложно- пример двигатель Кушуля). Зато есть масса схем роторных двигателей, которые позволяют без особого труда разрешить эту дилемму. Т.е. возможность двигателю иметь умеренную степень сжатия и при этом значительную длину рабочего хода.
Рассмотрение второй позиции – активизация и высокая эффективность процесса сгорания топлива. Его высокая скорость и полнота. Это важное условие качества и экономичности работы двигателя. Но, оказывается, степень сжатия (обеспечение высокого давления) является не единственным, и даже не самым лучшим способом достижения такого результата.
Тут я позволю себе цитату из академической книги по теории двигателей для ВУЗов советского периода: «Автомобильные двигатели», под ред. М.С.Ховаха. Москва, «Машиностроение», 1967г.
Как видно из приведенной цитаты, качество и скорость сгорания больше зависит от температуры сгорания, и в меньшей степени от давления. Т.е. если удастся обеспечить предельно высокую температуру среды сгорания, то полноценность сгорания будет максимальной, и нужда в предельно высоком давлении перед процессом сгорания (в степени сжатия) отпадет.
Из всех выше описанных теоретических подходов, можно сделать один вывод – мощный двигатель с высоким КПД может обойтись и без высокой степени сжатия, со всеми присущими для нее трудностями. Для этого в двигателе степень расширения должна быть заметно выше степени сжатия, а сгорание заряда свежей рабочей смеси должно происходить в предельно нагретой камере сгорания. При этом в процессе сгорания давление и температура должны повышаться за счет их естественного увеличения за счет энергии процесса горения. Т.е. камера сгорания должна герметично запираться и не менять свой объем в процессе сгорания. Следовательно: скоростного увеличения объёма камеры сгорания — с соответствующим падением давления и температуры (как это происходит в поршневом моторе) быть не должно.
Кстати- во время сгорания топливной смеси давление в запертой камере сгорания неизменного объема будет повышаться, т.е.сгорающие «второй серией» (более 60% от массы заряда) порции топлива будут сгорать при очень высокой степени сжатия (давление около 100 атм.) давление которого будет создано сгоранием первой части топлива. Тут надо зметить, что давление завершения такта сжатия даже у дизелей (этих нынешних рекродстменов по КПД) состалвяет не более 45-50 атм.
Но оба этих вышеупомянутых условия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом соблюсти и обеспечить невозможно. Поэтому и работают поршневые двигатели на повышенных степенях сжатия, со всеми вытекающими трудностями, и никак не могут преодолеть планку КПД в 40% уже почти 100 лет.
ИТОГ этой статьи таков – высокоэффективный двигатель большой мощности с высоким КПД может иметь умеренную степень сжатия, если будет иметь ход расширения, заметно больше чем ход сжатия. А сгорание рабочей смеси будет происходить в запираемой на время сгорания и не охлаждаемой камере (изохорный адиабатический процесс) при нарастающих температуре и давлении от энергии самого процесса сгорания.
В рамках идеи поршневого двигателя такую конструкцию создать невозможно, а вот в поле идей роторных двигателей подобные конструкции создать вполне реально. Чем и занимается автор этого текста и этого сайта.
СТАТЬЯ №2-2
РАЗМЫШЛЕНИЕ О СТЕПЕНИ СЖАТИЯ-2: ВЗГЛЯД В ИСТОРИЮ
26.01.13г.
В первой части статьи я показал – что непрерывное повышение степени сжатия в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом — единственный путь небольшого увеличения КПД двигателя, имеет четкие пределы своих возможностей. На степенях сжатия, приближающихся к 16, Рабочая Смесь с парами бензина даже октанового числа 100 начинает сгорать в режиме детонации, а детали и корпус двигателя становятся очень громоздкими и толстостенными (как в дизеле), чтобы выдерживать повышенные давления и великие инерционные нагрузки. Но огромные силы детонационного сгорания даже такие громоздкие и массивные детали разрушают очень быстро.
Но есть другие пути повышения КПД двигателя – это:
А) – увеличение температуры сгорания Рабочей Смеси (температуры в камере сгорания), чтобы добиться полного и быстрого сгорания паров бензина. При этом выделяется максимальное количество тепла и Рабочее Тело будет сильнее давить на поршень — т.е. совершать большую работу. По этому пути поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом и совмещенным процессом «горения-расширения» (3-й такт) идти не могут, так как масло (смазывающее стенки кинематической пары «поршень — цилиндр») при температуре 220 градусов уже начинает обугливаться и перестает смазывать. Именно поэтому цилиндр и поршень двигателя надо охлаждать, а это приводит в резкому снижению теплового КПД двигателя.
Б) – увеличение объема (степени) расширения Рабочего Тела (длины хода расширения) для полноценного расширения газов Рабочего Тела. Это позволит полностью использовать их избыточное давление. В современных поршневых двигателях на выхлоп идут газы с давлением в 5-8 атмосфер, что является значительными потерями. И это при том, что среднее эффективное давление поршневого двигателя составляет всего 10 атмосфер. Увеличить величину «срабатывания» этого давления мешает малая длина рабочего хода поршневого двигателя с КШМ (кривошипно-шатунным механизмом).
Если увеличить степень расширения газов Рабочего Тела в двигателе, то его КПД значительно увеличится и без необходимости повышения степени сжатия.
Давайте в этой статье обоснуем именно такую возможность.
Итак, тема этой статьи: для повышения КПД можно и нужно увеличивать степень расширения Рабочего Тела (рабочих газов) без увеличения степени сжатия. Это должно привести к значительному повышению эффективности работы двигателя. В оптимуме надо иметь: степень сжатия может быть совсем невеликой – примерно 3-х кратной, это соответствует давлению в заряде сжатой Рабочей Смеси в 4 атмосферы, но степень расширения (длина линии рабочего хода) должна превосходить эту небольшую степень сжатия примерно в 6-8 раз.
Такая постановка вопроса может показаться странной и неразумной всем знатокам традиционных схем двигателей, которые привыкли к высоким степеням сжатия в поршневых моторах. Но именно о таком парадоксальном положении дел в реальности свидетельствует внимательное изучение конструкций двигателей внутреннего сгорания, которые создавались и работали на заре появления таких двигателей, т.е. в эпоху создания первых ДВС.
Итак, первое заблуждение, которое работает на упрочнение мифа о необходимости создания высокой степени сжатия в двигателе, обосновывается тем, что первые двигатели внутреннего сгорания, которые создавались 150 лет назад, не сжимали предварительно Рабочую Смесь перед ее поджигом и поэтому имели совершенно мизерный КПД — почти такой же как и у примитивных паровых машин.
Действительно, первый действующий двигатель внутреннего сгорания конструкции Жана Ленуара (патент 1859 года) не имел предварительного сжатия Рабочей Смеси и работал с КПД в 4%. Всего 4 % — это как и прожорливые и громоздкие паровые машины того времени.
А вот первый образец 4-х тактного двигателя Николауса Отто, созданный в 1877 году, работал с предварительным сжатием Рабочей Смеси и при работе показал КПД в 22 процента, что для того времени было феноменальным достижением. При этом степень сжатия и степень расширения (как у всех нынешних поршневых ДВС с КШМ) у него были равны между собой.
На основании этих данных:
— КПД двигателя Ленуара без сжатия – 4%;
— КПД двигателя Отто со сжатием – 22 %;
делаются простые и ясные выводы – двигатель работающий с предварительным сжатием Рабочей Смеси работает по принципиально более эффективному режиму, и – чем больше степень сжатия – тем лучше. Этот вывод за 140 последних лет приобрел характер прописной истины и последние 100 лет двигателестроение идет по пути наращивания значения степени сжатия, которая сегодня уже достигла предельных значений.
НО в изложении этой информации- есть одно большое НО…
Оказывается тот же Николаус Отто, прежде чем создать свой знаменитый 4-х тактный двигатель со сжатием в 1877 году, немного раньше – в 1864 году создал, выпускал и успешно продавал многими сотнями другое свое изобретение – атмосферный двигатель внутреннего сгорания, работающий без предварительного сжатия. КПД этого двигателя составлял 15%… Такой высокий КПД совершенно не укладывается в теорию, что сильное предварительное сжатие Рабочей Смеси совершенно необходимо для достижения значительных показателей КПД двигателя.
Что-то в этой теме было не так, чего-то не хватало для понимания очень важных сфактов, и я решил изучить эту ситуацию. И вот к каким выводам я пришел:
-совершенно ужасный – мизерный – КПД двигателя Ленуара получался потому, что он имел совершенно недопустимо малую СРЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
— а очень достойным КПД в 15 % атмосферный двигатель Отто, работающий без сжатия, обладал от того, что имел очень большую СТЕПЕНЬ РАСШИРЕНИЯ рабочих газов;
Правда этот двигатель Отто имел очень плохой крутящий момент и очень неровный режим вращения главного вала, поэтому и потом был быстро вытеснен 4-х тактными дви-гателями. Но вот со значением КПД у него было очень прилично.
Итак – смотрим на двигатель Ленуара. Этот двигатель работал по 2-х тактному циклу. Вначале на линии рабочего хода поршень втягивал в себя светильный газ и воздух (Рабочую Смесь). Затем клапан подачи закрывался. Электрическая свеча давала искру — и Рабочая Смесь вспыхивала, и горячий газ усиленного давления толкал поршень дальше. Затем при обратном ходе поршень выталкивал продукты горения из цилиндра, и затем все повторялось вновь.
Т.е. в одном рабочем такте — на «линии расширения» — были совмещены ТРИ рабочих процесса:
— впуск Рабочей Смеси;
— горение Рабочей Смеси;
— расширение Рабочего Тела;
Давайте внимательно посмотрим на габариты рабочих органов двигателя Ленуара и сделаем некоторые грубые расчеты. Диаметр поршня — 120 мм и ход поршня — 100 мм. Описания двигателя того времени сохранили данные о том, что на всасывание газа и воздуха отводилось расстояние примерно в половину длины «линии расширения». Затем клапан подачи закрывался и электросвеча давала искру. Т.е. на процесс расширения, вернее на объединённый процесс «горение-расширение» оставалось менее полвины длины рабочего хода… Искра поджигала смесь газа и воздуха, происходила вспышка, температура и давление газов в цилиндре резко увеличивалось и рабочее давление с усилием гнало поршень дальше. Максимальный пик рабчего давления газов на поршень составлял 5 атмосфер. Но надо понимать- что Рабочая Смесь поджигалась в условиях все углубляющегося падения давления – ведь поршень продолжал двигаться создавая разрежение ниже атмосферного давления… В таких условиях поджигаться могла только очень «богатая» смесь, перенасыщенная газом. Соответственно — сгорание в таком режиме было крайне неполным, да еще и расшириться продуты сгорания вряд ли могли полноценно – ведь длина рабочего хода была крайне малой. Т.е. для поршня диаметром в 120 мм. длина рабочего хода составляла менее 50 мм. Можно смело считать, что на выхлоп шли газы весьма высокого давления, да еще и перенасыщенные не сгоревшим светильным газом. Соответственно двигатель таких параметров имел мощность всего 0,5 лошадиной силы при частоте вращения вала в 120-140 оборотов в минуту.
ВЫВОД- двигатель Ленуара имел такой низкий КПД и такую малую мощность прежде всего по причине очень малой длины рабочего хода (когда рабочие газы просто не имели возможности сработать) и очень неэффективной организации рабочих процессов, когда предельно «богатая» Рабочая Смесь поджигалась при давлении заметно ниже атмосферного в условиях активного расширения объема. Т.е. этот двигатель следовало обозначить, как двигатель, работающий с ПРедварительным РАСШИРЕНИЕМ (разрежением) Рабочей Смеси….
ДАЛЕЕ – рассмотрим схему работы другого двигателя, работавшего без предварительного сжатия Рабочей Смеси, но имевшего КПД в 15 %. Это атмосферный двигатель Отто образца 1864 года. Это был очень необычный двигатель. Он по своей кинематике казался чем-то совершенно уродливым и не пригодным к работе, но при «корявой» кинематической схеме, он действовал по весьма рациональной схеме организации рабочих процессов и поэтому имел КПД в 15%. Цилиндр этого двигателя был установлен вертикально и поршень двигателя двигался вверх- вниз. При этом в этом двигателе не было КШМ, а поршень имел направленную вверх очень длинную зубчатую рейку, которая входила своими зубьями в зацепление с шестерней и вращала её.
При этом, когда под поршнем взрывалась Рабочая Смесь, и поршень мгновенно взлетал вверх – то шестеренка вращалась вхолостую, ибо специальный механизм отсоединял ее от маховика машины. Затем, когда поршень и рейка достигали крайней верхней точки, и давление рабочих газов в поршне переставало действовать, поршень и рейка под своим весом начинали путь вниз. В этом момент шестерня присоединялась к валу маховика, и начинался рабочий ход. Таким образом — двигатель действовал рывковыми импульсами и имел очень плохой режим кутящего момента. Двигатель к тому же имел малую мощность, так как усилие создавали только вес поршня и рейки (т.е. работала сила тяжести), а так же давление атмосферного воздуха, когда остывающими газами и поднятым вверх поршнем в цилиндре создавалось разряжение. Именно поэтому двигатель назывался атмосферным, ибо в нем вместе с силой тяжести работала и сила атмосферного давления.
Но зато – в такой конструкции двигателя были крайне удачно организованы рабочие процессы. Рассмотрим, как были организованы и действовали рабочие процессы в этом двигателе.
Вначале специальный механизм поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и туда происходило всасывание смеси воздуха и газа. Далее поршень останавливался. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через особую трубку. При взрыве горючего газа давление под поршнем скачкообразно поднималось до 4 атм. Это действие подбрасывало поршень вверх, объём газа в цилиндре увеличивался и давление под ним падало, так как внутренний объем поршня не имел связи с атмосферой и был в этот момент герметично закрыт. При подбрасывании взрывом поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось значительное разрежение. В данном случае рабочий ход оказывался максимальной длинны, и продолжался до тех пор, пока вся энергия сгоревшего топлива (в виде избыточного давления Рабочего Тела) полностью не израсходовалась на подъем поршня. Заметьте, что на фотографии двигателя видно – длинна рабочего хода (высота цилиндра) многократно — в 6-8 раз больше диаметра поршня. Вот какой длины был у него рабочий ход. В то время как в современных поршневых моторах диаметр поршня примерно равен рабочему ходу. Только в дизелях – этих современных чемпионах экономичности – рабочий ход примерно на 20-30 процентов больше диаметра цилиндра. А тут – больше в 6 или даже 8 раз….
Далее- поршень устремлялся вниз и начинался рабочий ход поршня под нагрузкой собственного веса и под действием атмосферного давления. После того, как давление сжимаемого в цилиндре газа на пути поршня вниз достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Все это время длинная зубчатая рейка крутила шестерню, соединенную валом с маховиком. Именно так производилась мощность двигателя. После возвращения поршня в нижнюю точку траектории движения все повторялось снова — спец механизм плавно поднимал его вверх и происходило всасывание свежей порции Рабочей Смеси.
В такой необычной схеме двигателя по причине предельно полного расширения нагретого Рабочего Тела КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и поэтому достигал 15 %. Кроме того – поджигание рабочей смеси в атмосферном двигателе Отто происходило при атмосферном давлении, тогда как в двигателе Ленуара этот процесс происходил в условиях нарастающего разрежения, т.е. в условиях нарастающего падения сил давления, когда давление оказывалось заметно меньше атмосферного.
Еще нужно сказть, что по принципиильной схеме близкой к схеме этого двигателя сегодня работают копры — дизель-молоты. Правда подача и поджигание топлива в них устроено иначе, но общая принципиальная схема движения рабочего органа- та же самая.
Есть еще одна особенность – которая играла на заметный рост КПД. Это особенности не было ни в двигателе Ленуара, нет ее и в современных 2-х и 4-х тактных двигателях.
В атмосферном двигателе Отто в момент поджигания Рабочей Смеси поршень стоял на месте, и при горении первых порций топлива в объеме сгорания создавалось нарастающее давление, т.е. порции топлива, которые сгорали во вторую, в третью и в последующую очередь – они сгорали в условиях нарастающего давления, т.е. сжатие Рабочей Смеси происходило за счет нарастаний давления от вспышки и выделения тепла первых порций горящего заряда. При этом инерционность давящей сверху на горящий газ системы – поршня, длинной рейки и атмосферного давления, создавала сильное сопротивление первому импульсу движения вверх, что и приводило к заметному повышению давления в среде горящего газа. Т.е. в атмосферном двигателе Отто горение Рабочей Смеси происходило в условиях резкого сжатия основного объема еще не начинающей гореть части заряда горючего газа. Хотя предварительного сжатия поршнем и не было. Именно это появляющееся во время горения заряда Рабочей Смеси фактическое сжатие значительной величины большей части паров топлива (вместе с рабочим ходом большой длинны) и играло на значительный КПД атмосферного двигателя Отто образца 1864 года.
А вот современные поршневые двигатели, как и двигатель Ленуара 150 лет назад, вынуждены поджигать свежий заряд Рабочей Смеси и условиях резко расширяющегося объема, когда поршень (а его очень мощно движет шатун и коленвал) отчаянно убегает от донышка цилиндра и расширяет объем «камеры сгорания». Для справки — скорость движения поршня в современных двигателях – 10-20 метров в секунду, а скорость распространения фронта пламени в сильно сжатом заряде паров топлива – 20-35 метров в секунду. Но в современных двигателях для устранения этого неприятного положения можно пробовать под-жечь заряд Рабочей Смеси «рано» — т.е. до достижения движущимся поршнем на линии завершения предыдущего такта Верхней Мертвой Точки (ВМТ), или в положении около этой точки. А вот в двигателе Ленуара это было невозможно, ибо после достижения поршнем ВМТ начинался процесс всасывания свежей порции горючего газа и воздуха, а ее поджигание возможно только в условиях резко увеличивающегося объема «камеры сгорания» и резкого падения давления в свежей порции Рабочей Смеси ниже атмосферного. Именно поэтому двигатель Ленуара и имел такой предельно низкий КПД.
Можно предположить, что если бы атмосферный двигатель Отто имел искровое электрическое зажигание (как более ранний двигатель Ленуара), то его КПД мог бы вполне приблизиться к 20%. Дело в том, что при зажигании заряда Рабочей Смеси в цилиндре открытым пламенем через особую трубку при вспышке некоторая часть горящего заряда вылетала в атмосферу через эту трубку и это были заметные потери… Если бы такие потери удалось исключить, то КПД этого двигателя был бы заведомо выше.
Но Отто не обладал знаниями в области электротехники (как Ленуар), поэтому он и установил на свой атмосферный двигатель такую примитивную и уменьшающую КПД систему зажигания.
ВЫВОДЫ из этой статьи таковы:
1) – устоявшееся мнение о возможности достижения предельно высокого КПД двигателя преимущественно за счет максимально возможной степени предварительного сжатия Рабочей Смеси справедливо только для конструкций поршневых двигателей , где стремительно движущийся от «донышка» цилиндра в сторону коленвала поршень (за счет принудительного привода от коленвала) с огромной скоростью расширяет объем «камеры сгорания» и уменьшает давление поджигаемого (и горящего- тоже) заряда Рабочей Смеси. В поршневом двигателе Ленуара, работающем без предварительного сжатия Рабочей Смеси, этот недостаток поршневых двигателей проявлялся особенно ярко. Что и приводило к его предельно низкому КПД.
В современных поршневых двигателях всех типов для устранения именно этого конструктивного «родового» недостатка в организации рабочих процессов как раз и применяется предельно высокая степень предварительного сжатия – именно для того, чтобы заставить свежий заряд Рабочей Смеси гореть при достаточно высоких давлениях и температуре (не смотря на скоростное увеличение объема камеры сгорания и соответствующее падение давления в этой камере), что является залогом относительно полноценного горения заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высокого давления и высокой температуры.
2) – в истории техники существуют конструкции двигателей иных кинематических схем и иного способа организации рабочих процессов, где даже без предварительного сильного сжатия свежего заряда Рабочей Смеси можно достигнуть неплохих значений КПД даже при очень примитивной конструкции. Пример – атмосферный двигатель Отто образца 1864 года, с КПД в 15 %.
3) – можно создать высокоэффективный двигатель внутреннего сгорания, в котором процессы сгорания свежего заряда Рабочей Смеси и создания Рабочего Тела высоких параметров будут происходить путем естественного сжатия горящего заряда за счет самих сил горения в условиях камеры сгорания неизменного объема. Тем более, что процесс предварительного сжатия до высоких значений (в 20-30 атмосфер), который характерен для современных поршневых двигателей, требует затрат значительного количества энергии двигателя и применения массивных, громоздких и тяжелых деталей.
При этом основной вклад в достижение высокого КПД сделает большой параметр объема расширения (длинный рабочий ход), который будет значительно больше объема сжатия.
ИМЕННО ТАКОЙ двигатель, не требующий затратного и громоздкого Предварительного Сжатия свежего заряда Рабочей Смеси высокого значения, автор данной статьи в настоящее время и создает. В этом двигателе предварительное сжатие будет осуществляться до невысоких значений, а основное сжатие заряда Рабочей Смеси в камере сгорания неизменного объема будет происходить за счет сил первого этапа самого горения. В идеале это будет детонационное горение: вспышка — взрыв. Далее Рабочее Тело высокого давления будет расширяться до конца своих возможностей в секторе расширения большого объема.
Игорь Исаев.»Роторные двигатели. Прошлое,настоящее,будущее….»
Обзор 10 новых двигателей внутреннего сгорания / Блог компании НПП ИТЭЛМА / Хабр
Подписывайтесь на каналы:@AutomotiveRu — новости автоиндустрии, железо и психология вождения
@TeslaHackers — сообщество российских Tesla-хакеров, прокат и обучение дрифту на Tesla
Шествие двигателей внутреннего сгорания продолжается, при этом в них появляются инновации – от изменяемой степени сжатия до клапанов без кулачков.
Электрические силовые агрегаты в наши дни на пике моды, но эволюция двигателя внутреннего сгорания не замедлилась. На самом деле, новые изменения происходят быстрее, чем когда-либо.
Рассмотрим, например, этот краткий список последних инноваций двигателя: двигатель с турбонаддувом без кулачков; новый дизель с самым низким в мире коэффициентом сжатия; четырехцилиндровый двигатель с переменным коэффициентом сжатия; первый в мире бензиновый двигатель, использующий зажигание при сжатии.
Здесь мы собрали фотографии двигателей, предлагающих некоторые из последних инноваций в области силовых агрегатов. От интеллектуальных двигателей грузовиков до крошечных моделей с турбонаддувом, мы предлагаем вам подборку основных достижений последних лет. Пролистайте следующие слайды, чтобы увидеть лучшие из них.
2,2-литровый двигатель Mazda SkyActiv-D имеет самый низкий в мире коэффициент сжатия (14,1:1) среди всех дизельных двигателей, что, как сообщается, дает потребителям множество преимуществ. Более низкие показатели сжатия идут рука об руку с более низким давлением и пониженной температурой в верхней части поршня, что способствует лучшему смешению воздуха и топлива, а также уменьшает проблемы с оксидами азота и сажей, давно ассоциирующиеся с дизельным двигателем, говорит Mazda. Более того, более низкий коэффициент сжатия SkyActiv-D обеспечивает меньшее трение и меньший вес конструкции. На нью-йоркском автосалоне на прошлой неделе японский автопроизводитель объявил, что собирается изменить антидизельные настроения последнего времени, установив новый 2,2-литровый дизельный двигатель на компактный кроссовер CX-5 2019 года.
Представьте себе полноразмерный пикап, работающий всего на двух цилиндрах. Это то, на что способен Chevrolet Silverado, благодаря добавлению в новый 2,7-литровый турбодвигатель электромеханического регулируемого распределительного вала и функции активного управления подачей топлива (Active Fuel Management). В целом, двигатель предлагает 17 различных схем отключения цилиндров, что позволяет ему справиться практически с любой ситуацией при движении. «Это все равно, что иметь разные двигатели для работы на низких и высоких оборотах», — отметил главный инженер двигателя Том Саттер в пресс-релизе. «Профиль распределительного вала и синхронизация клапанов полностью отличаются на низких и высоких скоростях». Двигатель мощностью 310 л.с. и крутящим моментом 471.8 Нм заменяет 4,3-литровый V-6 на Silverado.
Производитель суперкаров Koenigsegg Automotive AB возлагает большие надежды на технологию бескулачкового двигателя, которую он представил на концептуальном автомобиле в 2016 году. Известная как FreeValve, эта технология использует «пневмо-гидравлические-электронные» приводы для управления процессом сгорания в каждом цилиндре. Koenigsegg говорит, что с помощью этих приводов, вместо кулачковых валов, можно более точно управлять процессом сгорания в каждом цилиндре. FreeValve также позволяет люксовому автопроизводителю отказаться от других дорогостоящих автозапчастей, включая корпус дроссельной заслонки, кулачковый привод, ГРМ, выпускной клапан, предкаталитический преобразователь и систему непосредственного впрыска. По слухам, компания готовит технологию для установки на суперкар стоимостью 1,1 миллиона долларов, который будет выпущен в 2020 году. В интервью Top Gear основатель компании Кристиан фон Кёнигсегг (Christian von Koenigsegg) заявил, что FreeValve позволит ему построить автомобиль с нулевым уровнем выбросов и двигателем внутреннего сгорания. «Идея заключается в том, чтобы доказать миру, что даже двигатель внутреннего сгорания может быть полностью СО2-нейтральным», — сказал он.
Говорят, что двигатель Nissan VC-Turbo является первым в мире готовым к производству двигателем с переменным коэффициентом сжатия. VC-Turbo разрабатывался более 20 лет, и он использует усовершенствованную многозвеньевую систему для изменения коэффициента сжатия. Во время работы угол наклона многозвеньевых рычагов варьируется, что приводит к регулировке верхней мертвой точки поршней. С изменением положения поршня меняется и степень сжатия. Результат — производительность по требованию. Высокий коэффициент сжатия обеспечивает большую эффективность, в то время как низкий коэффициент сжатия увеличивает мощность и крутящий момент. VC-Turbo доступен в Nissan Altima 2019.
3,6-литровый двигатель Pentastar от Fiat Chrysler Automobiles является примером внимательного отношения к деталям и политики постоянного совершенствования. Двигатель использует две ключевые особенности для повышения топливной экономичности и крутящего момента. Первая из них — это регулируемый подъем клапана (VVL). VVL позволяет двигателю оставаться в режиме пониженного подъема до тех пор, пока водитель не потребует больше мощности. Затем он реагирует переключением в режим повышенного подъема для улучшения сгорания топлива. Вторая инновация — это рециркуляция отработавших газов с охлаждением, которая, как говорят, сокращает выбросы вредных веществ, снижает потери при прокачке и позволяет работать без стука при высоких нагрузках двигателя. Эти особенности обеспечивают Pentastar увеличение экономии топлива на 6%, при этом крутящий момент увеличивается на 14,9%. Fiat Chrysler также отмечает, что эти улучшения наблюдаются при оборотах двигателя ниже 3000 об/мин, когда повышенный крутящий момент необходим больше всего.
В наши дни производительность двигателя — это не только крутящий момент и лошадиные силы. Речь идет и об эффективности. Toyota доказала это в 2018 году, представив 2,5-литровый четырехцилиндровый двигатель Dynamic Force, который, по имеющимся данным, обладает тепловым КПД около 40%. Это большой шаг вперед, учитывая, что большинство современных двигателей приближаются к 30%, что, в свою очередь, означает, что 70% энергии сгорания топлива теряется в виде тепла. Toyota добилась этого с помощью ряда современных усовершенствований, включая длинный ход, высокий коэффициент сжатия, форсунки с двойными распылителями, интеллектуальную регулировку синхронизации клапанов и непосредственный впрыск топлива. Результат: Экономия топлива на трассе 2018 Camry составляет 29 и 41 мг, что на 26% выше по сравнению с предыдущей моделью.
1,5-литровый двигатель EcoBoost от Ford заслуживает внимания, потому что это еще один пример «умного» маленького двигателя, способного управлять относительно большим автомобилем с помощью двух цилиндров. Рядный трехцилиндровый EcoBoost выполняет эту задачу при отключении цилиндра, который определяет ситуацию, когда один цилиндр не нужен, и поэтому автоматически отключает его. Система может отключить или активировать цилиндр всего за 14 миллисекунд для поддержания плавного хода. Однако даже на трех цилиндрах она способна выдать 180 л.с. и 240 Нм крутящего момента (при сгорании 93-октанового топлива). Этот двигатель установлен в европейском Ford Fusion и американском внедорожнике Ford Escape, способном буксировать до 900 кг.
В 2018 году компания Cadillac еще больше увлеклась турбокомпрессорами, представив двигатель Twin Turbo V-8. Twin Turbo использует «горячую V-образную конфигурацию» — то есть устанавливает турбокомпрессоры в верхней части двигателя, в ложбине между головками. Таким образом, инженеры Cadillac утверждают, что они уменьшили общий размер конструкции двигателя и практически ликвидировали отставание турбокомпрессоров. Использованный на Cadillac CT6 V-Sport, новый двигатель выдает примерно 550 л.с. и обеспечивает потрясающий крутящий момент в 850.1 Нм.
Для тех, у кого есть страсть к старомодным лошадиным силам и крутящему моменту, у Dodge есть ответ в виде 6,2-литрового высокомощного двигателя HEMI V-8. Двигатель, выдающий 797 л.с. и 958.6 Нм крутящего момента, большую часть своей мощности черпает из 2,7-литрового нагнетателя — самого большого заводского нагнетателя среди всех серийных автомобилей. Наряду с нагнетателем в двигателе используются высокопрочные шатуны и поршни, высокоскоростной клапанный механизм и два двухступенчатых топливных насоса. 6,2-литровый двигатель, используемый в Dodge Challenger Hellcat Redeye, способен принимать огромное количество бензина в высокопроизводительном режиме, опорожняя бак чуть менее чем за 11 минут. Хорошая новость, однако, в том, что при нормальных дорожных условиях Hellcat все еще находится на отметке 10.69 л/100 км. Dodge хвастается тем, что Hellcat является самым быстрым в отрасли маслкаром с разгоном 0-100 км/ч в 3,4 секунды.
Поговорим о другой крупной инновации в двигателе 2018 года: Mazda выпустила двигатель SkyActiv-X, который, как говорят, является первым в мире бензиновым двигателем, использующим воспламенение при сжатии. Соединив две классические технологии, инженеры Mazda утверждают, что они объединили высокую тягу бензинового двигателя с эффективностью, крутящим моментом и реакцией дизеля. Ключом к их реализации является технология, известная под названием Spark Controlled Compression Ignition, которая максимально увеличивает зону, в которой возможно воспламенение от сжатия, и обеспечивает плавный переход между воспламенением от сжатия и воспламенением от искры. При внедрении двигателя прошлой осенью Mazda сообщила удивительные цифры: крутящий момент повысился на 10-30%, а КПД — на 20-30% по сравнению с предшественником. Mazda говорит, что двигатель также предлагает большую свободу в выборе передаточных чисел, что еще больше увеличивает экономию топлива и ходовые качества двигателя.
Подписывайтесь на каналы:
@AutomotiveRu — новости автоиндустрии, железо и психология вождения
@TeslaHackers — сообщество российских Tesla-хакеров, прокат и обучение дрифту на Tesla
О компании ИТЭЛМА Мы большая компания-разработчик automotive компонентов. В компании трудится около 2500 сотрудников, в том числе 650 инженеров.
Мы, пожалуй, самый сильный в России центр компетенций по разработке автомобильной электроники. Сейчас активно растем и открыли много вакансий (порядка 30, в том числе в регионах), таких как инженер-программист, инженер-конструктор, ведущий инженер-разработчик (DSP-программист) и др.
У нас много интересных задач от автопроизводителей и концернов, двигающих индустрию. Если хотите расти, как специалист, и учиться у лучших, будем рады видеть вас в нашей команде. Также мы готовы делиться экспертизой, самым важным что происходит в automotive. Задавайте нам любые вопросы, ответим, пообсуждаем.
Читать еще полезные статьи:
какой двигатель наиболее эффективный? – Богдан-Авто Холдинг
В настоящее время существует большое количество двигателей и альтернативных приводов. Предложение различных моторных решений для автомобилей часто вызывает у клиентов вопрос: какой же двигатель работает наиболее эффективно? Эксперты издания futurezone.de пришли к выводу, что самым высоким коэффициентом полезного действия (КПД) обладает электродвигатель. Для «зеленого» привода он составляет до 99%, а это означает, что 99% вырабатываемой электрической энергии преобразовывается в кинетическую энергию движения. Сегодня мы рассмотрим, чем отличаются наиболее известные типы двигателей и сравним их преимущества и недостатки.Электро
Интересно, что принцип работы электродвигателя был открыт еще в 1830-х годах, за несколько десятилетий до появления двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день существуют различные типы электродвигателей, которые работают на постоянном или переменном токе. В качестве топлива используется электричество, которое обеспечивает бортовая аккумуляторная батарея. Сегодня в основном применяются литий-ионные аккумуляторы благодаря хорошим характеристикам и длительному сроку службы. Несмотря на то, что многие модели электромобилей обладают пока еще низким запасом хода, а для зарядки потребуется в общей сложности несколько часов, электродвигатели обладают явными преимуществами. Во-первых, они не загрязняют окружающую среду, так как выбросы равны нулю. Во-вторых, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, электромотор имеет меньше деталей, которые подлежат износу, а это означает, что Вас ожидает меньше расходов на ремонт и обслуживание. В дополнение к этому, электромотор предлагает отличную динамику, так как максимальный крутящий момент уже доступен на низких оборотах двигателя.
Водород
С точки зрения эксплуатационных характеристик, близкими по духу чистым электромобилям являются электромобили на водородных двигателях. Данный тип привода использует топливный элемент для производства электроэнергии из газообразного водорода и кислорода. При этом из выхлопной трубы выделяется только вода. Помимо экологического аспекта, водородный двигатель имеет практические преимущества по сравнению с электромотором. Автомобили на водороде быстро заправляются и не нуждаются в длительной зарядке, а также обладают более широким запасом хода при меньшем весе по сравнению с электромобилями, оснащенными тяжелыми аккумуляторными батареями.
Гибрид
Менее эффективными, чем электродвигатели, но более экономичными по сравнению с двигателями внутреннего сгорания являются гибриды. В автомобилях с гибридным приводом применяются как двигатели внутреннего сгорания, так и электромоторы, что позволяет использовать преимущества обеих систем. В таких моделях аккумулятор для электродвигателя обычно заряжается во время движения от двигателя внутреннего сгорания или от восстановления энергии торможения. Более низкий расход топлива обеспечивается в основном при движении в городе, так как в большинстве случаев система автоматически переключается на электропривод при низких скоростях, таких как остановка и движение в пробках. Во время путешествий на дальние расстояния гибридные приводы практически не экономят топливо. При этом гибриды стоят на порядок выше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
Газ
Если сравнивать линейку классических двигателей внутреннего сгорания, то Вашим фаворитом легко может стать газ. Во-первых, двигатель, работающий на природном газе, более экологически чистый, чем бензиновый или дизельный мотор. Сжигание природного газа, который в принципе состоит из метана, является относительно чистым, а это означает, что при этом не образуется сажа и значительно снижается количество других загрязняющих веществ. Во-вторых, двигатель, работающий на газе, до 10% более эффективный, чем бензиновый. Помимо этого, цена на газ существенно ниже по сравнению со стоимостью бензина или дизельного топлива. Но при всех плюсах Вы должны учитывать, что за авто на газе Вам придется заплатить дополнительные тысячи евро, и к тому же газ предлагается не на каждой АЗС.
Дизель
Выбирая дизельный двигатель, клиенты сознательно платят более высокую стоимость за автомобиль с целью сэкономить в будущем на затратах на топливо, так как главный плюс дизеля – это более низкий расход топлива. В дизельных моторах воздух всасывается в камеру цилиндра, где он смешивается с дизельным топливом путем прямого впрыска. Дизельно-воздушная смесь воспламеняется самостоятельно, поэтому дизельный двигатель не нуждается в свечах зажигания. При этом давление сжатия составляет от 30 до 50 бар, а температура на 700-900 градусов Цельсия выше, чем у бензинового двигателя. Учитывая данные значения, дизель должен иметь более устойчивую конструкцию и соответственно больше весить. Тем не менее, дизель имеет более высокую плотность энергии и КПД дизеля составляет около 33%, в результате чего снижается расход топлива.
Бензин
Бензиновый двигатель обладает наименьшим КПД среди двигателей – 25%. Это означает, что 75% энергии, получаемой при сжигании бензина, преобразуется в тепло, и только 25% в движение. Но сегодня многие бензиновые двигатели оснащаются системой непосредственного впрыска, а также турбонаддувом. Данные технологии позволяют увеличить производительность мотора, а также снизить вредные выбросы. Не смотря на более низкую эффективность, бензиновый двигатель обладает другими полезными характеристиками. По сравнению с дизелем, у бензина более низкие выбросы оксида азота. Помимо этого, бензиновый двигатель дает широкий диапазон оборотов, что идеально подходит для спортивного вождения. Именно по этой причине мотоциклы ездят исключительно на бензине. В дополнение, автомобили с бензиновым двигателем являются самыми доступными по стоимости на рынке.
Виды двигателей, которыми оборудованы автомобили дилерской сети «Богдан-Авто Холдинг»
| Модель авто | Тип двигателя | Расход топлива в смешанном цикле (л / 100 км) |
| Subaru | ||
| Subaru XV | Бензин | 7 |
| Subaru Outback | Бензин | 7,3 |
| Subaru Forester | Бензин | 7,2 |
| Hyundai | ||
| Hyundai i30 | Бензин/ Дизель | 6 / 5,3 |
| Hyundai i10 | Бензин | 4 |
| Elantra | Бензин | 6,6 |
| Creta | Бензин | 7 |
| Santa Fe New | Бензин/ Дизель | 7,1 / 5,2 |
| Tucson | Бензин/ Дизель | 7,9/ 5,3 |
| Accent | Бензин | 5,7 |
| Grand Santa Fe | Турбодизель | 7,8 |
| Ioniq Electric | Электро | 0 |
| Ioniq Hybrid | Гибрид | 3,4 |
| Grandeur | Бензин | 9,1 |
| Great Wall | ||
| Wingle 5 | Дизель | 7,4 |
| Wingle 6 | Бензин/ Дизель | 11,2 / 8,6 |
| HAVAL | ||
| HAVAL h3 | Бензин | 6,7 |
| HAVAL H6 | Бензин | 8,5 |
| HAVAL H9 | Бензин/ Дизель | 10,9 / 9,1 |
| JAC | ||
| JAC S2 | Бензин | 6,5 |
| JAC S3 | Бензин | 5,6 |
| JAC iEV 7S | Электро | 0 |
Подготовлено по материалам Futurezone.de]]>
Повышаем КПД генератора
Подавляющее большинство электрических генераторов, используемых как в быту, так и в промышленных целях, работают за счёт энергии двигателя внутреннего сгорания, в качестве топлива в котором используются бензин, дизельное топливо или газ. С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания прошло уже полторы сотни лет, но превращение сгорающего топлива в энергию по-прежнему остаётся самым эффективным способом её получения. Но на фоне всех достоинств ДВС выделяется главный его недостаток – низкий КПД и высокие потери энергии.
В среднем при использовании двигателя внутреннего сгорания на выходе можно получить лишь 20% энергии, тогда как её потери, соответственно, составляют до 80%. В эти 80% входят следующие потери:
· Потери топлива. Поршневые двигатели (как бензиновые, так и дизельные) сжигают лишь 75% всего топлива, а оставшиеся 25% в виде паров топлива вместе с продуктами его сгорания выходят через выхлопную трубу. В двухтактных двигателях топливная эффективность ещё ниже.
· Потери тепла. Современные двигатели внутреннего сгорания используют порядка 35-40% вырабатываемого тепла, а остальные 60-65% выбрасываются в окружающую среду через выхлопные газы и систему охлаждения.
· Потери механической мощности. До 10% мощности двигателя уходит на трение движущихся частей и на привод вспомогательных механизмов. Для электрогенераторов этот показатель ещё выше.
Таким образом, КПД самого эффективного двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%. Чтобы добиться от дизельного или бензинового двигателя максимальной эффективности, необходимо воздействовать на все три типа потерь. Самостоятельно повысить КПД генератора достаточно сложно, но в руках профессионала ваш двигатель может обрести небывалую эффективность, которая достигается следующими способами:
· Внедрение дожигателя. Этот способ направлен на повышение топливной эффективности. Дожигатель преобразует неиспользованные пары топлива и продукты неполного его сгорания в топливно-воздушную смесь и отправляет её на повторное сгорание. Таким образом, удаётся добиться почти полного сгорания топлива и на 10-15% повысить общий КПД двигателя.
· Возврат части тепловых потерь.
· Использование тепла высокотемпературных продуктов сгорания для обогрева прилегающей территории или нагрева пара в парогазовой электростанции. Это не повышает КПД двигателя напрямую, но позволяет уменьшить расход энергии на работу сопутствующих устройств.
· Введение системы впрыска с регулируемой подачей воды позволяет сократить расход топлива.
· Снизить механические потери двигателя поможет использование менее вязкого смазочного материала.
Комплексное применение способов повышения эффективности двигателя может увеличить его КПД на 30-35%, то есть, в два раза и даже больше.
Современный мотор: меньше, мощнее – но не вечно…
Если говорить о тенденциях современного мирового моторостроения, то двигатель внутреннего сгорания остается на лидирующих позициях, хотя справедливости ради надо отметить, что некие попытки «покуситься» на «святая святых» все же существуют – например, уже продается серийный электромобиль Tesla. Но поскольку нефтепромышленность сегодня является ключевой отраслью мировой экономики, доминирование двигателей внутреннего сгорания еще на многие десятилетия может остаться незыблемым.
Немного истории. Грустной…
Современные двигатели конструктивно практически мало изменились со времен «отцов-осно-вателей»: Николауса Августа Отто и Рудольфа Кристиана Карла Дизеля. Сегодня в ходу те же коленчатый вал, шатуны, поршни, цилиндры, клапаны, распределительный механизм.
Поэтому все новшества в двигателестроении опираются на новые материалы и технологии, в том числе связанные с электронным управлением.
Например, если еще 20 лет назад блок цилиндров почти повсеместно был сделан из чугуна, то сегодня чугунный блок встречается редко, плавно перейдя в разряд анахронизмов. В настоящее время блоки делают из алюминия, который и легче, и технологичнее. Сначала были проблемы с прочностью и жесткостью, но их постепенно решили.
Правда, полностью алюминиевые моторы действительно приживаются трудно – очень они чувствительны к смазке, охлаждению, зазорам. А вот алюминиевый блок с чугунными гильзами гораздо менее требователен в эксплуатации. Так что старый добрый чугун, который использовали Отто и Дизель, еще послужит…
Вообще надо отметить, что создание нового двигателя даже традиционной схемы – это процесс очень долгий. Вот и получается, что модельный ряд автомобилей меняется в среднем через четыре-пять лет, а мотор в нем нередко стоит от предыдущих моделей, а то и еще более ранних. И часто даже в новых двигателях используются узлы от старых – например, блок цилиндров. Так что двигатели «живут» долго – бензиновые в среднем 10-15 лет, а дизели легко «доживают» до 20 и даже 30 лет.
И еще. С сожалением приходится признать, что в России практически не было своих разработок двигателей – все бралось «оттуда», из-за границы. Причем часто даже то, что там отвергалось. Результат очевиден – сегодня передового двигателестроения у нас в стране просто не существует. Как и конструкторов для его возрождения.
Все началось с авиации… Авиадвигатель Rolls-Royce Merlin 40-х годов прошлого века с непосредственным впрыскомУспехи, неудачи и тенденции
В современном моторостроении существуют две основные тенденции: первая – сократить вредные выбросы, и вторая – снизить расход топлива. Это взаимосвязанные задачи: сокращая расход, мы автоматически снижаем выбросы.
Но если 10-15 лет назад «вредными выбросами» считались традиционные оксид углерода – СО, оксиды азота – NOx и углеводороды – СН, то сегодня в разряд основных перешел и углекислый газ СО2, создающий «парниковый эффект». И если учесть, что любое углеводородное топливо в конечном счете распадается на воду и углекислый газ – то уменьшить выбросы СО2 можно единственным путем: снижением расхода топлива.
Здесь надо принять во внимание и такой нюанс: КПД у двигателя внутреннего сгорания в целом лишь около 25-30%. Выходит, что только четверть бензина в ДВС тратится на движение – остальные три четверти просто вылетают в трубу. И греют окружающую среду. Поэтому инженеры-моторостроители борются за каждый «лишний» процент с помощью довольно сложных технических решений.
Верный способ – повысить удельные параметры двигателя: проще говоря, получить «одну лошадиную силу» с меньшего количества топлива. Например, одним из основных путей роста эффективности бензинового двигателя является повышение степени сжатия. При росте степени сжатия эффективность сгорания топлива в цилиндре повышается, а значит, возрастает коэффициент полезного действия (КПД) цикла – и двигателя в целом.
В частности, повышение основных параметров двигателей, в том числе путем увеличения степени сжатия, дают системы непосредственного впрыска бензина в цилиндр – впрыск сдвигает режимы детонации, убирает неравномерность подачи топлива и увеличивает наполнение цилиндров.
Когда мы еще были впереди планеты всей: форкамерно-факельное зажигание на Волге — прообраз современного послойного распределения зарядаНа самом деле эта идея достаточно старая: непосредственный впрыск широко применялся на авиационных двигателях 40-х годов прошлого века. Инженерам требовалось добиться небывалой по тем временам удельной мощности 70 л.с. с 1 л рабочего объема двигателя при максимальных 2500-3000 об/мин. Сегодня это удельная мощность обычного автомобильного двигателя (хотя и при вдвое больших оборотах, так что авиационный уровень 70-летней давности все еще не превзойден современным автомобилестроением) – а тогда достичь их в авиации было возможно только с помощью непосредственного впрыска.
Но система подачи топлива была механической, т.е. сложной, дорогой и требовавшей постоянных регулировок, что было приемлемо в авиации, но никак не на автомобилях.
Форкамерно-факельный процесс в двигателе Honda CVCC, такие двигатели ставились на автомобили Honda почти до конца 1980-х годовКроме того, механическое управление непосредственным впрыском было хорошо при низких оборотах, требовавшихся для тогдашних авиационных двигателей (воздушный винт все же!). А при их росте хотя бы до автомобильных 6000 об/мин механика уже не справлялась.
Собственно, «возвращение» к старой идее в 1990-2000-х годах стало возможным благодаря развитию электроники, позволившей реализовать управление непосредственным впрыском на высоких оборотах двигателя – с внедрением электронных компонентов появилась возможность управлять процессом горения, чего не было ранее.
Карбюратор, да и традиционные системы впрыска – так называемое внешнее смесеобразование, позволяли лишь смешать 15 кг воздуха с 1 кг топлива и подать смесь в цилиндры. И все. А вот электронное управление непосредственным впрыском в цилиндр дает возможность инженеру выбирать – когда вводить топливо, сколько вводить. И даже впрыскивать топливо за один цикл двигателя несколько раз.
Еще в 70-х годах ХХ века конструкторы для экономии топлива предложили использовать принцип «послойного» впрыска, реализованный в виде так называемого «форкамерно-факель-ного зажигания». Идея заключалась в том, что в специальной камере создается богатая смесь, которая при воспламенении от свечи создает факел, поджигающий бедную смесь, подаваемую непосредственно в цилиндр. Машины с такими двигателями (с аббревиатурой СТСС – Compound Vortex Controlled Combustion) разработала и длительное время производила японская Honda, и даже горьковский автозавод некоторое время выпускал «Волги» с форкамерными моторами. Но в итоге к середине 1980-х от этой идеи пришлось отказаться. Ведь приходилось готовить сразу две топливо-воздушных смеси: бедную, которой надо было много, и богатую, которой надо было мало. И подавать их раздельно – при этом в точные временные промежутки. А сложные карбюраторы (а тогда полноценного электронного управления еще не существовало) не прибавляли ни надежности, ни оптимизма по снижению себестоимости. Но основной удар был неожиданным – выяснилось, что помимо СО и СН оксиды азота тоже не слишком полезны. А здесь у «послойников» возникли новые проблемы…
Но всего через 10 лет, примерно к середине 1990-х годов, инженеры смогли вернуться к идее на новом уровне, чтобы с помощью электроники объединить в одном двигателе все три составляющие: непосредственный впрыск, управление процессом горения и послойное смесеобразование, что позволило поднять степень сжатия и выйти на новый уровень.
Первыми создали серийные автомобили с такими моторами в компании Mitsubishi – они имеют обозначение GDI (Gasoline Direct Injection – «система прямого впрыска бензина»). За ними последовали и другие производители. В этих двигателях нет отдельной форкамеры – форсунка впрыскивает бензин в цилиндр под очень высоким давлением. А камера сгорания имеет такую «хитрую» форму, что в зоне у свечи оказывается богатая смесь, а в остальном объеме – бедная.
Казалось бы, все прекрасно: степень сжатия высокая, смесь бедная, как следствие, вредные выбросы заметно снижены, а экономичность улучшена. Но опять начались проблемы с оксидами азота. Дело в том, что традиционные трехкомпонентные нейтрализаторы убирают из выхлопа СО, NOХ и СН только у смеси обычного состава (15 кг воздуха на 1 кг топлива). А вот с возросшими при бедных смесях объемами оксидов азота они уже не справляются. Так что пришлось разрабатывать новые дополнительные катализаторы. Работают они хорошо, хотя требуют специальной жидкости в качестве «топлива». Но хорошо только в том случае, если в бензине нет серы. А если есть – то быстро «умирают». Ведь бензин с полным отсутствием серы пока еще редкость даже в богатых странах…
Поэтому автопроизводители от идеи послойного впрыска вынуждены были отказаться, а проблему уже построенной инфраструктуры по производству этих двигателей (и уже немало потраченных денег) решили путем «перепрошивки» электронного управления впрыском.
Теперь впрыск топлива осуществляется не тогда, когда поршень находится вблизи верхней «мертвой точки», а раньше. И пока поршень проходит весь путь до ВМТ, смесь успевает перемешаться до практически гомогенной.
Так что «попытка № 2» внедрения послойного смесеобразования и управления горением тоже сорвалась. Когда будет третья попытка, неясно. Но то, что она будет – вполне предсказуемо. Ведь уже создано достаточно много таких двигателей, они работают, хотя их возможности пока не реализованы полностью.
Еще одно направление повышения эффективности ДВС – системы регулирования фаз газораспределения. Они получили распространение недавно, в начале 90-х годов ХХ века, но сегодня двигатель без регулирования фаз уже смотрится каким-то анахронизмом.
Логика таких систем понятна – для эффективной работы двигателя при малых оборотах время (продолжительность) и момент открытия впускных и выпускных клапанов должны быть одни, а с повышением оборотов – другие. И сегодня существует много систем, которые регулируют не только время открытия клапанов, но и величину этого открытия. Что делает ДВС эластичным, а автомобиль с ним – экологичным, экономичным и удобным.
Если подводить промежуточный итог, то можно сказать следующее: современный бензиновый ДВС – обязательно с регулируемыми фазами, а лучшие его образцы имеют непосредственный впрыск. Для повышения мощности двигателей нередко используется наддув, который увеличивает количество воздуха, поступающего в цилиндры, и удельную мощность. Существуют две схемы наддува: газотурбинный, когда турбину для привода компрессора раскручивают выхлопные газы, и приводной, когда компрессор приводится непосредственно от двигателя. Приводные компрессоры тоже разные: объемные, винтовые, волновые и т.д. Но большого распространения такие системы так и не получили, хотя известны давно – в отличие от регулирования фаз газораспределения, непосредственного впрыска топлива и турбонаддува.
Ванкель и другие
В принципе, возможны альтернативы старой конструкции, созданной во времена Отто и Дизеля. Но создать работающий двигатель, способный на равных конкурировать с привычной схемой по всем показателям, очень сложно. Двигатели Стирлинга, Баландина и многих других оригинальных схем и решений не получили распространения и оказались на грани забвения.
И хотя новые идеи витают в воздухе, реализовать даже лучшие из них весьма проблематично. Например, роторно-лопастной мотор Вигриянова, который изначально планировалось устанавливать в «прохоровский» «ё-мобиль», пока так и не создан. И для того чтобы (возможно!) довести его до серийного производства, потребуется, по прикидкам, как минимум, 10 лет и весьма неограниченное финансирование. Причем несколько из этих 10 лет надо будет потратить на подготовку специалистов, способных его довести. А поскольку с «неограниченным финансированием», кажется, наступили проблемы, этот двигатель, скорее всего, света так и не увидит…
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля стал, пожалуй, единственным примером внедрения в серийное производство ДВС нетрадиционной конструкции. Хотя двигателю данной схемы уже добрых полвека, и за это время многие производители, выпускавшие такие моторы, давно «сошли с дистанции» (последним стал АвтоВАЗ), он и по сей день ставится на автомобили Mazda. Причем компания так долго занимается этим двигателем и добилась таких его показателей, что уже вряд ли кто сможет сделать хотя бы такой же – по цене, надежности и эффективности. И потому он вряд ли когда-нибудь станет массовым.
Ремонт ремонту рознь
Современные двигатели гораздо более надежны, чем те, которые производились, например, 20 лет назад. В них не надо ничего регулировать, что-то менять – они работают без поломок как минимум до окончания срока гарантии.
Но есть нюанс – сегодня срок службы всего автомобиля стал значительно меньше, чем был ранее. Прошли те времена, когда машину покупали «на всю жизнь». Сегодня сложилась тенденция: люди хотят ездить на новой модели машины. И потому автомобили меняются в среднем через 3-5 лет. Соответственно автопроизводителям не имеет смысла делать машину, которая без поломок прослужит 20 лет. Вот и получается, что автопарк обновляется значительно быстрее, чем два-три десятка лет назад.
Так что время двигателей-«миллионников» давно «кануло в Лету» – их просто невыгодно
делать. Да и зачем? Ресурс мотора рассчитывается с учетом возможного пробега автомобиля: в среднем можно говорить максимум о 150 тыс. км.
Процесс непосредственного впрыска уже широко распространился, но пока использовать все его преимущества не удаетсяОчевидно, ремонт двигателя должен продлить ресурс – но не до бесконечности, а до конца срока службы автомобиля (который тоже закладывается относительно небольшим – не более 10 лет). К чему это приводит? К тому, что некоторые ремонтные процессы становятся просто ненужными, а ремонтное оборудование «отстает» от современных двигателей.
Например, на старых моторах уровень нагрузки составлял 50 л/с с 1 л объема, а на современных (с наддувом) – вдвое больше. При такой разнице удельных мощностей и нагрузок на детали «старое-доброе» уже не работает – нужны новые технологии. Сегодня многие работы стало просто невозможно сделать без современного оборудования – шлифовального, расточного, хонинговального. Оно не слишком хорошо окупается, поэтому многие предпочитают работать по старинке. Но не тут-то было…
Так, для новых моторов нередко используются шатуны с «ломаными» крышками. Традиционные конструкции крышек шатунов, изготовленных отдельно, а потом собранных, для современных высоконагруженных двигателей не подходят – неточно и совсем недешево. И при ремонте традиционных шатунов всегда есть опасность нарушения соосности, что ведет к катастрофическим последствиям для мотора, хотя традиционные шатуны ремонтируются легко. А вот «колотые» – не ремонтируются вообще.
Еще пример – коленчатый вал на старом тихоходном двигателе можно было наварить и прошлифовать. Сейчас это невозможно даже представить: усталостные трещины очень быстро приведут к разрушению всего двигателя. Кроме того, ручная работа с большим количеством операций стоит дорого. А коленчатый вал легкового мотора – деталь массовая, а значит, и недорогая. И делать двойную, а то и тройную работу, чтобы восстановить деталь, которая потом быстро выйдет из строя, по крайней мере, экономически неэффективно.
При этом надо помнить, что просто замена одной детали, вышедшей из строя, не решает проблемы поломки двигателя в целом: такая локальная замена обычно предполагает «гарантию только до ворот». Современный высоконагруженный двигатель – это сложный комплекс, а потому его ремонт должен быть комплексным, с заменой всего «по кругу», чтобы даже самый экономный автовладелец не возвращался через каждые 10-15 тыс. км для замены очередной детали. Вот почему качественно отремонтированный мотор стоит всего лишь на 25-30% меньше нового. Но насколько такой ремонт выгоднее замены для владельца?
Так что современная тенденция в ремонте проглядывается – замена вышедшего из строя узла постепенно побеждает. Причем ремонт «в гараже на коленке» уже не удается. Поэтому неудивительно, что в последние годы значительно возросли требования к квалификации ремонтников, ощутимо выросла стоимость ремонта, а сам процесс стал сводиться больше к замене деталей, нежели к их восстановлению.
Есть и другая тенденция, когда производитель не дает запчастей вообще – только двигатель в сборе. И ремонтникам остается только поменять весь двигатель, вместо того чтобы его ремонтировать. А зачем чинить, если двигатели непрерывно усложняются, а квалифицированная ручная работа дорожает еще быстрее?
И наконец, «контрактные» моторы…
В заключение отметим: модные сегодня «контрактные» моторы становятся похожи на пресловутый «МММ». Нет в мире такой страны-«донора», где бы существовало столько двигателей с большим остатком ресурса. А поскольку двигатели современных легковых автомобилей рассчитаны на конечный и весьма ограниченный пробег, то покупка такого мотора давно стала лотереей – в которой, как известно, выигрывает один из тысяч. В лучшем случае.
А остальным предлагается раз в 10-20 тыс км купить очередной «билет» – пока не будет выбран их «лимит» на ремонт или замену мотора на новый.
- Александр Хрулев, канд. техн. наук, директор фирмы «АБ-Инжиниринг»
Альтернативные силовые установки для транспортных средств
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) уже почти 200 лет служат человечеству. Однако их широкое использование оборачивается целым рядом экологических и ресурсных проблем. 26% всех выбросов антропогенных парниковых газов вызваны сжиганием ископаемого топлива. При этом более 90% топлива, используемого для автомобилей, судов, локомотивов и самолетов, получено из нефти. При сгорании нефтепродуктов в атмосферу выделяются крайне вредные окись углерода, двуокись углерода, углеводороды, окислы азота и другие компоненты. Загрязнение воздуха выступает причиной каждой девятой смерти в мире и признано одним из крупнейших вызовов в области здравоохранения и окружающей среды. В ряде развитых стран принимаются активные меры по постепенному переводу транспорта с ДВС и расширению использования альтернативных источников топлива. Так, Германия приняла закон о запрете продажи новых автомобилей с ДВС с 2030 г. Страна планирует к 2050 г. сократить автомобильные выхлопы до нуля. Аналогичные инициативы обсуждаются в других странах ЕС, США, Индии.
Более активное использование современных альтернативных силовых установок позволит снизить объем вредных выбросов в атмосферу Земли, сократить расходы на содержание транспортных средств и увеличить их КПД. Разработка таких технологий даст возможность странам, испытывающим дефицит традиционного топлива, уменьшить свою энергетическую зависимость. Ниже рассмотрены перспективные технологии новых типов двигателей для автомобилей, работающих на альтернативном топливе: водородные и метанольные топливные элементы для электромобилей, а также двигатели внутреннего сгорания на диметиловом эфире.
Версия для печати:
ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Использование водорода в качестве топлива возможно в транпортных средствах как с ДВС, так и с водородными топивными элементами. Однако традиционные поршневые ДВС приспособить к работе на водороде и сложно, и дорого (стоимость эксплуатации и обслуживания такой водородной силовой установки примерно в 100 раз выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания).
Альтернативные вариантом являются топливные элементы (ТЭ), преобразующие химическую энергию топлива в тепло и постоянный электрический ток, питающий электродвигатель или системы бортового питания транспортного средства. ТЭ представляет собой непрерывно перезаряжаемую батарею из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подается водород, через другой — чистый кислород или кислород из воздуха, к которым постоянно добавляются химическое топливо и окислитель. Соединение водорода с кислородом обычно происходит внутри пористой полимерной мембраны.
Водородные ТЭ намного более экологичны, эффективны (их КПД составляет 45%, современного автомобильного ДВС — 35%), надежны, способны работать при низких температурах, при этом менее габаритны. Они могут применяться в качестве силовых установок в гибридных автомобилях, а в электромобилях — в качестве суперконденсаторов.
ЭффектыЭкологичность: при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода Распределенное энергоснабжение: водород в виде неиспользованного электричестваможно применять для питания домашней электросети Возможное сокращение общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г. |
Оценки рынка70 тыс. в год к 2027 г. составит выпуск новых водородных автомобилей в мире |
Драйверы и барьерыУдобство использования автомобильной техники на ТЭ (не требуют перезарядки, моментально поставляют электроэнергию, выработка энергии ТЭ не зависит от времени суток, погодных условий и др.) В перспективе открытие более дешевых и эффективных катализаторов для получения водорода позволит значительно снизить стоимость производства водородных ТЭ Высокие затраты на выработку водорода: от $4 до $12 за килограмм в разных странах (бензин-галлоновая эквивалентная стоимость составляет от $1,60 до $4,80) Отсутствие автомобильной инфраструктуры Сложность в эксплуатации: уязвимость к ударным нагрузкам и сотрясениям, взрывоопасность, при низких температурах ТЭ требуют внешнего подогрева из-за замерзающей воды Отсутствие единых стандартов безопасности, хранения, транспортировки, распределения и применения водородных ТЭ |
Международныенаучные публикации |
Международныепатентные заявки |
Уровень развитиятехнологии в России «Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.
|
МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Метанол — высококачественное моторное топливо для ДВС — хорошо зарекомендовал себя и как энергоноситель в ТЭ, используемых в портативной электронике, транспортных приложениях, а также в электромобилях. В ТЭ метанол расщепляется при взаимодействии с атмосферным кислородом (воздухом), в результате этой реакции возникает электрический ток и образуется вода в качестве побочного продукта.
В настоящее время разрабатываются технологии получения метанола из природного газа (минуя синтез-газ) посредством гидрирования из промышленных выбросов углекислого газа (в долгосрочной перспективе его научатся извлекать прямо из окружающего воздуха). Также ведутся разработки по производству биометанола из биомассы (лигноцеллюлозы), что послужит толчком к массовому распространению метанольных ТЭ.
ЭффектыСокращение выбросов углекислого газа более чем на 70% при расщеплении биометанола в ТЭ Электромобили нового типа могут проезжать до 800 км на одном заряде батареи с применением метанольных ТЭ |
Оценки рынка40 млн ед. к 2020 г. составит объем рынка автотранспортных средств, работающих на метанольных ТЭ (благодаря чему на 104 млн т будут сокращены выбросы углекислого газа по сравнению с объемом выбросов от автомобилей на бензиновом ДВС) |
Драйверы и барьерыЭкологичность: метанол менее биологически опасен, чем нефтепродукты Возможность использования существующей транспортной инфраструктуры для заправки транспортного средства Простота эксплуатации: в частности, метанол не улетучивается при транспортировке Возможно создание технологии производства биометанола в промышленных масштабах, что увеличит его использование в ТЭ Высокая себестоимость производства метанола с помощью существующих технологий Используемые в качестве катализаторов в ТЭ драгоценные металлы (платиноиды) значительно повышают рыночную стоимость установок и вырабатываемой ими энергии |
Международныенаучные публикации |
Международныепатентные заявки |
Уровень развитиятехнологии в России «Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.
|
ДВИГАТЕЛИ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ
Серьезным конкурентом традиционным видам ископаемого и синтетического топлива и основной альтернативой дизелю может стать диметиловый эфир (ДМЭ). В сравнении с дизельным топливом эфир лучше горит и более экологичен (не содержит серы, в течение суток полностью разлагается в атмосфере на воду и углекислый газ). Это в целом более чистое топливо, некоррозионноактивное, нетоксичное, не вызывает мутаций, в том числе канцерогенного характера.
Сегодня ДМЭ производится из переработанного угля, природного газа, биомассы, бытовых и промышленных отходов. Также разрабатывается синтетическое биотопливо второго поколения (BioDME), которое может быть изготовлено из лигноцеллюлозной биомассы. Преобразовать дизельный двигатель в ДМЭ-двигатель можно без больших затрат, что будет стимулировать массовое распространение технологии.
ЭффектыЗначительное сокращение уровня вредных выбросов с отработавшими газами: оксидов азота в 3-4 раза, углеводородных соединений — в 3 раза, угарного газа — в 5 раз, при практически бездымной работе двигателя во всех режимах Повышение экономичности ДВС (до 5%) и его КПД по сравнению с работой на дизельном топливе Оптимизация расходов на производство и транспортировку топлива (сократятся в 10 раз относительно показателей сжиженного природного газа) Легкое преобразование ДМЭ в бензин, характеризующийся высокой стабильностью и повышенным экологическим качеством, минимальным содержанием нежелательных примесей (отсутствие серы, незначительное содержание бензола (0,1% при норме 1%), непредельных углеводородов (~1%)) Создание дополнительных рабочих мест в добывающей промышленности благодаря развитию производства диметилового эфира из ископаемого сырья (природный газ, уголь) |
Оценки рынка$9,7 млрд к 2020 г. достигнет объем глобального рынка ДМЭ (среднегодовые темпы роста 16-19% в 2015-2020 гг.) |
Драйверы и барьерыУжесточение экологических стандартов Наличие соответствующей инфраструктуры: применение ДМЭ не требует серьезной конструкционной доработки дизельных двигателей и установки специальных фильтров. Использование ДМЭ на автомобилях с ДВС возможно даже при 30%-м его содержании в топливе без трансформации систем питания и зажигания двигателя. Масштабная сырьевая база: сырьем для производства ДМЭ является природный газ, доказанные запасы которого в России по состоянию на 2015 г. остаются крупнейшими в мире. Ряд нерешенных проблем с хранением ДМЭ Сравнительно высокая рыночная цена ДМЭ относительно других видов топлива При производстве ДМЭ затрачивается существенно больший объем сырьевого газа, чем для других топливных продуктов с эквивалентной теплотворной способностью При меньшей в 1,5 раза полноте сгорания по сравнению с дизельным топливом увеличивается расход ДМЭ в 1,5–1,6 раза ДМЭ является наркотическим галлюциногенным веществом |
Международныенаучные публикации |
Международныепатентные заявки |
Уровень развитиятехнологии в России «Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных «на равных» сотрудничать с мировыми лидерами.
|
Московский инновационный кластер
Область техники: Изобретение относится к сфере двигателестроения, а именно к области роторных двигателей внутреннего сгорания.
Уровень техники: В настоящее время наиболее широко в качестве стационарных энергоустановок и силовых приводов транспортных средств используются поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные двигатели (ГТД) и паровые турбины. Классические поршневые ДВС двухтактного и четырехтактного цикла известны с 60-х и 70-х годов XIX века (С. Балдин, «Двигатели внутреннего горения», Прага, Имка-пресс, 1923 г). Подвижный цилиндрический поршень совершает линейные возвратно-поступательные движения внутри неподвижного цилиндра. Поршень соединен шатуном с коленчатым валом. При горении предварительно сжатой смеси паров топлива и воздуха в герметично замкнутом пространстве между поршнем и цилиндром за счет повышения давления горячих газов осуществляется одновременное с процессом горения линейное рабочее движение поршня, которое кривошипно-шатунным механизмом превращается во вращательное движение коленвала. Поршневые двигатели с объемным расширением рабочей камеры (в которых на сегодняшний момент степень сжатия равна степени расширения) характеризуются недостаточно высокими начальными параметрами давления и температуры рабочих газов в процессе сгорания сильно сжатой рабочей смеси. Чем сильнее сжимается 1 ВС, тем быстрее и лучше она сгорает. Но сжимать ТВС удается только до определенного предела, после которого появляется взрывоподобное сгорание ТВС, называемое детонацией. При детонации возникают огромные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма и цилиндрово-поршневой группы, приводящие к их механическому разрушению. Плюс к этому получается в 2 раза большая температура рабочих газов, от которой сгорает смазка с трущихся поверхностей деталей, происходит их оплавление, заклинивание или прогар. Ясно, что детонационное сгорание если и возможно, то только в каком-то отдельном, замкнутом до определенного момента объеме, прочность и термостойкость которого позволяет выдержать такие нагрузки и отсутствуют подвижные детали, требующие смазки. Однозначно, поршневой ДВС не может претендовать на определение «эффективный двигатель» по конструктивным признакам. Но он не в состоянии претендовать на это и по показателю параметров рабочего тела как в результате сгорания ТВС, так и на выходе из двигателя, потому что во всех существующих ныне конструкциях двигателей внутреннего сгорания на выхлоп идут газы при температуре от 800 до 1100 С°. По этой причине тепловой баланс современного поршневого двигателя внутреннего сгорания в среднем варианте конструктивного исполнения получается таким: 30% — тепло, переводимое в полезную работу; 30% — тепло, отводимое во вне через систему охлаждения; 40% — тепло, отводимое во вне с выпуском отработавших газов горения. Т.е. средний термодинамический КПД современных двигателей внутреннего сгорания не превышает 30-35%. И если варианты по снижению температуры выходящих газов периодически появляются, то вариантов по увеличению начального давления рабочего тела нет — мешает детонация.
«При детонационном сгорании сжатой и перегретой ТВС происходят сложные процессы во время которых образуются разные виды чередующегося пламени». (С. Соколик, Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951 г, стр 37). Скорость распространения пламени увеличивается с 20-40 до 2000 м/сек при температуре до 4000 гр. С.
Известно, что при высокой (порядка 2000 гр С) температуре можно успешно сжигать даже очень бедную ТВС, даже при сравнительно небольшом ее сжатии и топливе невысокого качества. «Детонационное горение дает заметно больше энергии тепла и давления рабочих газов, чем обычное медленное горение», www.rotor-motor.ru. «Детонация-двигатель».
По законам термодинамики, тепловой двигатель, чтобы иметь высокий термодинамический КПД, должен наиболее эффективно использовать энергию горения топлива, чтобы получить как можно более высокие начальные параметры рабочего тела (давление и температуру) и низкие конечные такие параметры на выходе из ДВС.
Таким образом получается, что при проектировании теплового двигателя мы должны стремиться к получению в нем мгновенного, взрывного сгорания ТВС для получения наиболее высоких начальных параметров рабочего тела.
Но как, конструктивно, поставить детонацию на службу эффективности ДВС?
Из сказанного выше вытекает ответ. Нужно сжигать ТВС в высокотемпературной, высокопрочной, не имеющей подвижных трущихся частей (не нуждающихся в смазке) и запирающейся на время горения, камере сгорания. Вариант конструктивного решения этой важнейшей инженерной задачи предлагается впервые.
Ближайшим аналогом, по конструктивным особенностям, предлагаемого в качестве изобретения Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, является роторный двигатель Уайдла. Совпадающими существенными признаками между заявляемым изобретением и рассматриваемым ближайшим аналогом, является наличие в их конструкции двух секций с лопаточными роторами, закрепленными на одном общем валу, одна из которых служит только для всасывания, сжатия и подачи ТВС в КС, а другая секция превращает энергию рабочего тела во вращательное движение рабочего вала.
Отличительными существенными признаками является то, что в двигателе Уайдла КС представляет собой канал в стенке между секциями, ограниченный ближайшими лопатками секций, а в заявляемом Роторном Детонационном Двигателе Внутреннего Сгорания стенка между секциями выполнена в виде еще одной неподвижной секции, в которой выполняется прочная, выдерживающая механические и температурные нагрузки взрывного сгорания ТВС, со стенками или покрытием этих стенок, материалом, выдерживающим длительно температуру до 4000 гр С, камера сгорания, которая соединена каналами с боковыми секциями, а каналы имеют возможность перекрываться клапанами впуска и выпуска по принципу действия лепестковых, т.е. под действием разности давлений (или управляемых). Кроме них в КС должен быть еще один управляемый клапан, который служит для стравливания избыточного давления рабочего тела из КС в атмосферу непосредственно перед впуском свежей порции ТВС в КС.
Такая отдельная, прочная, высокотемпературная КС необходима, по теории теплового двигателя, для получения максимально высоких начальных параметров рабочего тела (давления и температуры газов горения), что ведет к КПД, стремящемуся к максимальному значению из-за максимально высокого значения давления рабочего тела. Такая КС приводит к получению не только существенно увеличенного давления рабочего тела, к чему мы стремимся в первую очередь, но при этом получаем и сверхвысокую температуру рабочего тела, которая будет помехой для длительной и безаварийной работы ДВС.
Для безаварийной работы двигателя из-за высокой температуры, а также для получения еще большего КПД, в таком Роторном Детонационном Двигателе Внутреннего Сгорания есть возможность и необходимость применения охлаждения уже полностью сгоревшей рабочей смеси в КС и сильно перегретого рабочего тела, впрыском воды в рабочую секцию перед выстрелом очередной порции рабочего тела по принципу, описанному в Патенте на изобретение RU 2491431 «Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания».
Таким образом, применяя в Роторном Детонационном Двигателе Внутреннего Сгорания детонационную КС, охлаждение водой рабочего тела и поверхностей деталей рабочей секции с целью перевода внутренней энергии рабочего тела в потенциальную энергию давления водяного пара, при температуре парогазовой среды на выходе из двигателя стремящейся к температуре окружающей среды, реально получить КПД, стремящийся к 100%.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения, которая реализована в этой конструкции, является создание высокоэффективной конструкции роторного двигателя внутреннего сгорания, с КПД более 50%, в котором появляется возможность просто, с минимальными затратами и с предельно малым усложнением конструкции, встроить в технологический цикл двигателя отдельную, детонационную, высокотемпературную, запираемую на время горения ТВС камеру сгорания, повышая начальные параметры рабочего тела для более эффективной работы теплового ДВС.
Особенность изобретения — именно возможность изготовления и встраивания в конструкцию роторного двигателя отдельной, запираемой, высокотемпературной КС любых размеров и формы, из любого, доступного для этих параметров рабочего тела, материала или материала покрытия стенок для полного и эффективного сжигания поступающего топлива.
Техническим результатом применения такого инженерного решения является максимальное упрощение конструкции всего ДВС, технологии изготовления КС, в которой возможно эффективное сжигание очень бедной ТВС с получением максимально высоких параметров рабочего тела и КПД Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, повышения удельной мощности, экономичности и экологичности ДВС. При этом, впервые в рабочий цикл ДВС удается включить процесс детонационного сжигания ТВС, который всегда в истории двигателестроения был бичом ДВС, его бедой, от которой старались избавиться всеми способами. Предлагаемое техническое решение позволит извлечь в разы большую энергию из скрытой в топливе энергии химических связей, сведет к нулю выброс несгоревших вредных веществ.
Таким образом, конструкция Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, состоящего из трех секций, в промежуточной секции которого располагается камера сгорания, запираемая на время горения ТВС клапанами, изготовленная из материала, выдерживающего механические нагрузки и высокую температуру, возникающие при детонационном сгорании ТВС, позволяет получить значительное увеличение начальных параметров рабочего тела (давления рабочих газов).
Для достижения еще большего эффекта работы теплового двигателя и для безаварийной работы ДВС необходимо и возможно применить охлаждение рабочей секции изнутри впрыскиванием необходимого количества воды, скажем, на одну из лопаток рабочей секции для получения паровой фазы рабочего цикла и внутреннего охлаждения рабочей секции двигателя (паровая фаза), тогда как на другую лопатку будут воздействовать газы горения. Т.е. на один оборот рабочего вала такого ДВС будет 1 такт в 180 градусов от воздействия сгоревшего топлива и 1 такт 180 градусов паровой фазы от испарения воды от горячих стенок рабочей секции.
Есть возможность использовать в этом ДВС другой вариант подачи воды в рабочую секцию описанный в изобретения RU 2491431 «Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания», т.е. подача воды в рабочую секцию до момента входа в нее очередной порции раскаленного рабочего тела под большим давлением из КС, но уже под каждую из двух лопаток рабочей секции или 2 раза за 1 оборот рабочего вала.
В. СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Реализация, заявленного изобретением, конструкции Роторного Детонационного Двигателя Внутреннего Сгорания, возможна к осуществлению через применение известных и новых материалов и технологий их обработки для возможности изготовления КС, в которой возможно использовать детонационное сгорание ТВС.
Принцип работы и сама работа крайних секций этого Д ВС известна в механике достаточно давно и успешно применяется в пневмомашинах, например пневматический инструмент, компрессоры.
Реализация практического исполнения предлагаемой встраиваемой в конструкцию роторного двигателя КС, возможна на условиях применения известных на сегодняшний день технологиях и современных материалов, например керамики.
На прилагаемых к данному разделу патентной заявки чертежах представлены продольный разрез (Фиг. 1) и три сечения двигателя (Фиг. 2) по трем его секциям (входной, камеры сгорания и рабочей) с элементами: рабочим валом (элемент 1), насаженными на него роторами входной (элемент 2) и рабочей (элемент 12) секций, с установленными в роторах лопатками, соответственно, входной (элемент 14) и рабочей (элемент 11) секций. Корпуса секций входной (элемент 15), рабочей (элемент 13) и КС (элемент 16) разделены между собой стенками (элемент 3 и 9). В корпусе камеры сгорания выполнена непосредственно сама КС (элемент 5), которая имеет 3 клапана: впускной (элемент 4), выпускной (элемент 10). стравливающий (элемент 8) и свеча зажигания (элемент 7). На рабочем валу имеется кулачок (элемент 6), управляющий стравливающим клапаном. Впуск ТВС во входную секцию через впускное отверстие (элемент 17), а выпуск отработавших газов и пара из рабочей секции через выпускные отверстия (элементы 18 и 19). Вода в рабочую секцию подается через форсунку (элемент 20).
В такой конструкции двигателя, заявляемого изобретением, Роторный Детонационный Двигатель Внутреннего Сгорания, рабочий процесс может протекать по двум вариантам, следующим образом.
Работа двигателя по первому варианту: на 1 полный оборот рабочего вала — 1 такт 180 градусов поворота рабочего вала — сжигание ТВС и 1 такт 180 градусов поворота рабочего вала — паровой фазы.
При работе двигателя поворачивается рабочий вал вместе с роторами секций и находящимися в них лопатками. Лопатка входной секции начинает сжимать ТВС, всасываемую через впускное отверстие. Ее давление повышается, открывается впускной клапан и ТВС загоняется в КС, где происходит ее воспламенение разрядом свечи зажигания. КС, в этот момент заперта всеми тремя клапанами, а ее температура порядка 2000 гр. С, поэтому смесь сгорает взрывоподобно. Давление в КС резко поднимается, впускной клапан закрывается и открывается выпускной клапан. Рабочие газы выстреливаются в рабочую секцию и, через лопатку рабочей секции, приводят во вращение ротор рабочей секции с рабочим валом. На подходе к КС второй лопатки, в КС кулачком на рабочем валу открывается стравливающий клапан и избыточное давление в рабочей секции закрывает выпускной клапан, остаточное давление из КС стравливается в атмосферу, а ТВС со второй лопатки входной секции загоняется в КС. В это самое время в рабочей секции эту верхнюю точку проходит вторая лопатка и сюда впрыскивается порция воды через форсунку, которая, испаряясь от нагретых деталей рабочей секции увеличивает давление в рабочей секции, закрывается выпускной клапан КС, давление пара приводит во вращение ротор рабочей секции и охлаждает детали рабочей секции. Отработавшие газы и пар из рабочей секции выбрасываются в атмосферу через выходное отверстие, а при дальнейшем движении лопатки, через второе выходное отверстие.
Работа двигателя по второму варианту: на 1 оборот рабочего вала два такта сжигания ТВС в КС по 180 градусов поворота рабочего вала. С использованием изобретения RU 2491431 «Способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания», наиболее предпочтительна.
При работе двигателя поворачивается рабочий вал вместе с роторами секций и находящимися в них лопатками. Лопатка входной секции начинает сжимать ТВС, всасываемую через впускное отверстие. Ее давление повышается и под его действием открывается впускной клапан и ТВС загоняется в КС, где происходит ее воспламенение разрядом свечи зажигания. КС, в этот момент заперта всеми тремя клапанами, а ее температура порядка 2000 гр. С, поэтому смесь сгорает взрывоподобно. В этот момент в рабочей секции происходит впрыск порции воды в рабочую секцию через форсунку, за рабочую лопатку, где давление невелико или есть разрежение. В КС поджигается ТВС и давление в КС резко поднимается, впускной клапан закрывается и открывается выпускной клапан. Рабочие газы выстреливаются в рабочую секцию и приводят во вращение ротор рабочей секции с рабочим валом. На подходе второй лопатки входной секции к КС открывается стравливающий клапан, и избыточное давление в рабочей секции закрывает выпускной клапан, а остаточное давление из КС стравливается в атмосферу, ТВС со второй лопатки загоняется в освободившуюся КС, а стравливающий «лапан закрывается. В этот момент в рабочую секцию поступает очередная порция воды, в КС поджигается ТВС, поступившая в КС со второй лопатки входной секции и процесс повторяется, т.е. в рабочую секцию поступает давление из КС, испаряется поступившая вода, еще больше увеличивается давление парогазовой смеси и вращает рабочий вал. Отработавшие газы и пар из рабочей секции выбрасываются в атмосферу через выходные отверстия.
Таким образом, отдельная «горячая» КС способствует быстрому и полному сгоранию ТВС, а роторная конструкция данного ДВС приводит к его конструктивному упрощению, позволяет ввести в рабочий цикл паровую фазу, увеличить максимальные обороты и мощность двигателя, улучшить экономичность и экологичность. Кроме этого, такой ДВС будет иметь высокий крутящий момент из-за относительного большого плеча действия силы давления рабочего тела, при малых габаритах и большой диапазон рабочих оборотов за счет уменьшения оборотов холостого хода и увеличения максимально допустимых оборотов..
Главная особенность изобретения — конструктивные особенности и расположение отдельной, запирающейся на время горения рабочей смеси, не имеющей сопряженных вращающихся деталей, камеры сгорания в отдельной секции, в которой ее можно выполнить из любого материала, любой формы для обеспечения возможности детонационного сгорания сильно обедненной ТВС.
Бензиновый двигатель Toyota достигает 38 процентов тепловой эффективности
Большинство двигателей внутреннего сгорания невероятно неэффективны при превращении сожженного топлива в полезную энергию.
Эффективность, с которой они это делают, измеряется термином «тепловой КПД», и большинство бензиновых двигателей внутреннего сгорания в среднем составляют около 20 процентов теплового КПД. Дизели обычно дороже — в некоторых случаях приближается к 40 процентам.
Toyota разработала новый бензиновый двигатель, максимальный тепловой КПД которого, по ее утверждению, составляет 38 процентов, что выше, чем у любого другого двигателя внутреннего сгорания, производимого серийно.
Новые агрегаты объемом 1,0 и 1,3 литра должны обеспечить на 10-15 процентов большую экономию, чем их существующие эквиваленты.
Toyota применила к своим двигателям несколько знакомых технологий для достижения такого уровня эффективности.
Один из них — это тот же цикл сгорания, который используется в гибридных моделях фирмы — цикл Аткинсона.
Используемые на 1,3-литровом двигателе, двигатели с циклом Аткинсона обычно имеют регулируемые фазы газораспределения, что позволяет впускным клапанам оставаться открытыми в начале такта сжатия.Более низкая плотность воздуха приводит к более эффективному сжиганию топлива и более высокому тепловому КПД.
Обычно двигателям не хватает мощности по сравнению с обычными двигателями с циклом Отто — в гибридах это компенсируется дополнительной мощностью от электродвигателя.
БОЛЬШЕ: Toyota Prius 2015: следующий гибрид стремится к расходу 55 миль на галлон, больше места, лучше управляемость
В 1,3-литровом двигателе степень сжатия 13,5 компенсирует некоторую потерю компрессии в течение цикла двигателя — теоретически двигатель должен работать аналогично обычному 1.3-литровый агрегат.
Модернизированные впускные каналы, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция охлажденных выхлопных газов также используются для повышения эффективности двигателя.
В 1,0-литровом двигателе, разработанном совместно с японским партнером Toyota Daihatsu, аналогичные двигатели (на этот раз без цикла Аткинсона) обеспечивают 37-процентный тепловой КПД.
Тем не менее, благодаря использованию технологии стоп-старт, новый двигатель на 30 процентов эффективнее эквивалентных 1,0-литровых двигателей в японском испытательном цикле JC08, ориентированном на город.
Toyota не подтвердила, в каких транспортных средствах будут использоваться новые двигатели и появится ли какая-либо силовая установка в США. Вероятно, несколько автомобилей для японского рынка и выбранные модели, такие как Yaris и Aygo, проданные за рубежом, в конечном итоге получат выгоду от этих единиц.
Что это действительно показывает, так это то, что есть еще много возможностей для улучшения обычных бензиновых двигателей.
Обычные двигатели внутреннего сгорания будут оставаться доминирующими на автомобильном транспорте, по крайней мере, в ближайшие несколько десятилетий, поэтому любые усилия по их усовершенствованию тем временем заслуживают одобрения.
_________________________________________
Подпишитесь на GreenCarReports в Facebook, Twitter и Google+
Возможности для повышения эффективности и воздействия на окружающую среду двигателей внутреннего сгорания
Основные моменты
- •
Ожидается, что до 2040 года не менее 85% транспортной энергии будет приходиться на традиционное жидкое топливо.
- •
Следовательно, двигатели внутреннего сгорания должны быть улучшены, чтобы уменьшить их локальное и глобальное воздействие на окружающую среду.
- •
Предлагается ряд возможных подходов к повышению эффективности и сокращению выбросов.
- •
Стратегии двигателей могут снизить выбросы CO2 на 30%, гибридизацию и облегчение на 50%.
- •
Обсуждаются последствия для транспортной политики.
Реферат
В настоящее время 99,8% мирового транспорта приводится в действие двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а 95% транспортной энергии производится за счет жидкого топлива, производимого из нефти.Рассматриваются многие альтернативы, включая аккумуляторные электромобили (BEV) и другие виды топлива, такие как биотопливо и водород. Однако все эти альтернативы начинаются с очень низкой базы и сталкиваются с очень серьезными препятствиями на пути неограниченного расширения, так что ожидается, что 85–90% транспортной энергии будет поступать за счет обычного жидкого топлива, используемого в двигателях внутреннего сгорания, даже к 2040 году. Следовательно, крайне важно, чтобы ДВС были улучшены, чтобы уменьшить локальное и глобальное воздействие транспорта на окружающую среду. В данной статье рассматриваются возможности такого улучшения после обсуждения основных принципов, регулирующих эффективность двигателя, и технологий контроля загрязнения выхлопных газов.Большие возможности для такого улучшения иллюстрируются рассмотрением различных практических подходов, уже имеющихся на рынке. Например, лучшие в своем классе двигатели SI в США потребляют на 14% меньше топлива по сравнению со средним показателем. Только разработка двигателей и обычных трансмиссий может снизить расход топлива более чем на 30% для легковых автомобилей (LDV). Внедрение других технологий, таких как гибридизация и облегчение, может снизить расход топлива на 50% по сравнению с текущим средним показателем для маломощных транспортных средств.Современная технология последующей обработки может гарантировать, что уровни загрязняющих веществ в выхлопных газах соответствуют самым строгим текущим требованиям к выбросам. Действительно, в самых современных автомобилях с дизельным двигателем выхлопные газы могут быть чище, чем всасываемый воздух в городских центрах. Последствия для транспортной политики, особенно когда есть планы запретить ДВС, рассматриваются в заключительном обсуждении. Все доступные технологии должны быть развернуты для смягчения воздействия транспорта на окружающую среду, и было бы крайне недальновидно препятствовать дальнейшему развитию ДВС путем ограничения их продаж.
Ключевые слова
Двигатель внутреннего сгорания
Выбросы
Эффективность
Гибридизация
Сокращения
ASTMАмериканское общество испытаний и материалов
BEVаккумуляторный электромобиль
CFDвычислительная гидродинамика
DPF исследованиядизельный сажевый фильтр
EGRрециркуляция выхлопных газов
EOIконец впрыска (CAD)
GCIбензин с воспламенением от сжатия
GPFбензиновый сажевый фильтр
HCCIс гомогенным зажиганием от сжатия
HEVгибридные электромобили
ICE двигатель внутреннего сгорания двигатель внутреннего сгорания IDзадержка воспламенения (SOC-SOI)
IDWзадержка воспламенения (SOC-EOI)
PPCчастично предварительно смешанное сжатие
RCCIуправляемая реактивность CI
RDEвыбросы при реальном движении
RONоктановое число по исследовательскому методу
SCRизбирательное каталитическое снижение 0003 SOC
начало горения (CAD)
SOIначало впрыска (CAD)
BOEбаррель нефтяного эквивалента
CNGсжатый природный газ
DOCкатализатор окисления дизельного топлива
GDIнепосредственный впрыск бензина
MTBEметил-трет-бутил эфир
NEDCновый европейский ездовой цикл
PEMSпортативная система измерения выбросов
PHEVподключаемый гибридный электромобиль
PMEPнакачивает среднее эффективное давление
PRFпервичное эталонное топливо
TRFтолуол эталонное топливо
WLTPпроцедуры испытаний для облегченных условий эксплуатации во всем мире
Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)
© 2020 Автор (ы).Опубликовано Elsevier Ltd.
Рекомендуемые статьи
Ссылки на статьи
Wärtsilä 31 самый эффективный двигатель в мире
Добро пожаловать в новое поколение двигателей. Wärtsilä 31 устанавливает новый стандарт энергоэффективности, обеспечивая самый низкий уровень расхода топлива среди всех четырехтактных двигателей в мире. Он также предлагает беспрецедентный уровень эксплуатационной гибкости и может быть легко адаптирован для работы с различными типами топлива и рабочими профилями.В течение всего срока службы двигателя Wärtsilä 31 вы получите лучшую поддержку по запасным частям, обслуживанию на месте, техническим вопросам, переоборудованию и соглашениям об обслуживании. Wärtsilä 31 — это просто самый экономичный, удобный и универсальный двигатель из когда-либо разработанных.
Wärtsilä 31 — это не один двигатель, а платформа, состоящая из трех различных продуктов — дизельного двигателя, газового двигателя и двухтопливного двигателя. Двигатели могут работать на широком спектре доступных видов топлива, таких как тяжелое дизельное топливо (HFO), судовое дизельное топливо (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (СПГ), этановый газ (LEG) или нефть. газ (LPG).
Ульф Остранд, директор Wärtsilä по программам разработки продуктов, курировал внедрение всех новых технологий, содержащихся в новом двигателе. Он поясняет, что это первый раз, когда платформа двигателя разрабатывается одновременно для всех вариантов его топлива.
«Предыдущие двигатели изначально разрабатывались для работы на дизельном топливе, а затем адаптированы для работы на газе, — говорит он. «Это сделало невозможным когда-либо полностью оптимизировать их характеристики и топливную экономичность для газового или двухтопливного режимов.
«Это совершенно новый движок, который мы разработали с нуля», — добавляет Джулио Тирелли, директор по портфелю движков и приложениям. «Это результат почти десяти лет разработки и содержит самые передовые технологии, открывающие двери для дальнейших разработок».
Топливная эффективность
Новый Wärtsilä 31 — самый экономичный четырехтактный двигатель, доступный в настоящее время на рынке. Дизельная версия двигателя потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок.В оптимальной точке это число может снизиться до 165 г / кВтч. В пересчете на эксплуатационные расходы ежедневная экономия на поставке эталонного буксира для обработки якорей (AHTS) составила бы около 10 000 евро в день в виде расходов на топливо.
«Повышение топливной эффективности такого масштаба никогда не достигалось за один раз», — говорит Остранд. «И мы сделали это за один присест».
«Сегодня топливная экономичность — это высший показатель технологического прогресса», — соглашается Тирелли. «И повышение производительности на 10 г / кВтч при запуске одного продукта — это резкое улучшение.Этот двигатель достиг такого уровня эффективности, который всего несколько лет назад считался физически невозможным ».
Внимание к экологическому развитию
Поскольку выбросы вызваны сжиганием топлива, вполне естественно, что двигатель, потребляющий значительно меньше топлива, также производит значительно меньше выбросов. Совершенно новый Wärtsilä 31 не только соответствует существующему стандарту выбросов IMO Tier II, но и соответствует законодательству IMO Tier III, которое вступит в силу в 2016 году.Кроме того, двухтопливная концепция позволяет судам легко переключаться с дизельного топлива на газ в зависимости от того, где они работают.
«Будучи лидером на рынке по топливной эффективности, судно будет производить значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. В двухтопливной версии он может работать на дизельном топливе в зоне Tier II, а затем переключаться на газ при входе в зону Tier III (например, в зону контроля выбросов или ECA). Переключение происходит мгновенно — нет необходимости ждать переключения — судно может просто продолжать движение с той же скоростью.”
Меньше обслуживания, больше времени безотказной работы
Что касается обслуживания, то затраты, связанные с новым Wärtsilä 31, были снижены примерно на 20%. В то время как стандартные двигатели аналогичной мощности требуют первой остановки для технического обслуживания примерно через 1000 часов работы, первая остановка на новом двигателе происходит через 8000 часов.
«Поскольку мы знаем, насколько важно время безотказной работы для прибыльности наших клиентов, сокращение потребности в техническом обслуживании было одним из наших главных приоритетов для этого нового двигателя», — объясняет Остранд.«Мало того, что его компоненты имеют более длительный срок службы, мы также вложили много энергии в сокращение времени, необходимого для его обслуживания».
Удаленный доступ к эксплуатационным данным обеспечивает расширенную поддержку и немедленное реагирование со стороны Wärtsilä для обеспечения безопасной эксплуатации судна или электростанции независимо от ее местонахождения. Преданный специалист с техническим опытом высшего уровня дает рекомендации экипажу по телефону и электронной почте. Это сокращает количество внеплановых посещений для технического обслуживания на борту.
Модульная конструкция
Модульная конструкция нового Wärtsilä 31 позволяет легко снимать и заменять целые модули двигателя. Это сокращает время обслуживания, поскольку модуль можно просто заменить, вместо того, чтобы разбирать каждую отдельную часть.
«Этот переход от отдельных запасных частей к« сменным блокам »- что означает замену целых блоков или модулей, таких как силовые блоки, форсунки и топливные насосы высокого давления — способствует более эффективному обслуживанию и максимальному увеличению времени безотказной работы», — говорит Остранд.
Когда двигатель требует технического обслуживания, время простоя будет значительно сокращено, поскольку весь модуль можно просто вынуть и заменить на заменяемый. Модули обмена перечислены в руководстве по запасным частям и доступны на складе.
Операционная гибкость
Операционная гибкость — основная проблема для морских приложений, поскольку многие суда работают при низкой нагрузке, но также требуют возможности быстрого набора энергии. Операторам необходимо убедиться, что они могут работать при низких нагрузках, обеспечивая при этом максимальную топливную эффективность и рентабельность.Wärtsilä 31 можно легко адаптировать к различным рабочим профилям, с различными настройками, благодаря передовой системе автоматизации двигателя в сочетании с гибкостью систем впрыска топлива и впуска воздуха. Дальнейшие улучшения для операций с низкой нагрузкой также могут быть достигнуты путем установки пакета с низкой эффективностью нагрузки, который включает некоторые механические изменения.
«Благодаря чрезвычайно высокому уровню автоматизации мы смогли оптимизировать несколько моментов, которые мы не смогли бы адаптировать в прошлом», — объясняет Тирелли.
«Многие механические системы не могут быть настроены для различных рабочих профилей, но современные электронные и гидравлические системы легко адаптировать к рабочим потребностям клиента», — соглашается Остранд, добавляя, что, если владелец хочет изменить способ работы, существующее судно работает, его всегда можно перенастроить под новые требования.
Двигатель, ориентированный на будущее
Модульная конструкция не только способствует быстрому ремонту, но и поддерживает модернизацию в будущем. По словам Ульфа Остранда, это делает двигатель «перспективным»:
«В будущем, когда мы разработаем новую технологию, судовладелец может просто установить модуль, содержащий обновление.Это будет особенно полезно при введении новых стандартов выбросов, но может также применяться к будущим видам топлива. Мы разработали продукт, который можно легко адаптировать к любым будущим возможностям. Я называю это двигателем, отвечающим требованиям завтрашнего дня ».
Три двигателя, одна общая платформа
Работа по разработке нового Wärtsilä 31 началась еще в 2010 году. Инженеры Wärtsilä приступили к созданию платформы двигателя с высоким уровнем общности между тремя вариантами двигателей.
«Три двигателя почти идентичны», — говорит Джулио Тирелли.«Техник, обученный работе с одним, обнаружит, что с двумя другими очень легко работать, в то время как владельцы более чем одного типа двигателей уменьшат запасы запчастей благодаря высокой унифицированности деталей. Кроме того, двигатель, который изначально был куплен, например, для работы на дизельном топливе, можно легко адаптировать к работе в качестве газового или двухтопливного двигателя, если требования заказчика изменятся в течение срока службы продукта ».
«Благодаря модульной конструкции и использованию общих технологий в различных вариантах двигатель может быть преобразован из одного варианта в другой с незначительными механическими изменениями», — добавляет Остранд.«Это делает его надежным выбором на будущее, независимо от изменений в наличии топлива или возможных серьезных колебаний цен на топливо».
Подробнее о Wärtsilä 31
Меньше энергии, затрат, времени простоя и выбросов. Больше гибкости и времени безотказной работы.
Энергоэффективность. Потребляет в среднем на 8–10 г / кВтч топлива меньше по сравнению с ближайшим конкурентом во всем диапазоне нагрузок, обеспечивая ежедневную экономию до 10 000 евро.
Топливная гибкость. Wärtsilä 31 может работать на широком спектре видов топлива: мазут (HFO), дизельное топливо для судов (MDO), топливо с низкой вязкостью или низким содержанием серы, сжиженный природный газ (LNG), этановый газ (LEG) или нефтяной газ. (Сжиженный нефтяной газ).
Экономическая эффективность . Затраты на техническое обслуживание снизились примерно на 20%.
Меньше обслуживания , больше времени безотказной работы. Первая остановка для технического обслуживания происходит через 8 000 часов по сравнению с 1 000 часов для стандартных двигателей аналогичной мощности.Наличие модулей обмена обеспечивает короткие простои для обслуживания.
Операционная гибкость. Полностью работоспособен, везде. Двухтопливный двигатель позволяет легко переключаться на газ при въезде в зону Tier III без каких-либо изменений скорости. Wärtsilä 31 можно легко адаптировать к различным рабочим профилям и любым будущим возможностям.
Меньше выбросов. Значительно меньшее количество CO2, CO, THC и SOX. Полностью соответствует правилам IMO Tier III, вступающим в силу в 2016 году.
Усовершенствованные двигатели внутреннего сгоранияУсовершенствованные двигатели внутреннего сгорания
Кристофер Гольденштейн
9 декабря 2011 г.
Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2011 г.
Введение
В 2009 году транспортный сектор США потребляли 13,3 миллиона баррелей нефти (558,6 миллиона галлонов) каждый день. Это эквивалентно потреблению почти 1 миллиона галлонов масла каждый раз. 2.5 минут и составляет 70% от общего количества нефти, потребляемой в США. [1] С национальными целями сокращения выбросов парниковых газов и зависимости по зарубежной нефти очевидно, что повышение эффективности двигатели внутреннего сгорания, используемые в транспортной отрасли, являются целью первостепенное значение. В этой статье основное внимание будет уделено фундаментальной проблеме ограничение эффективности таких двигателей и обсуждение потенциальный выигрыш в эффективности Воспламенение от однородного заряда от сжатия (HCCI) двигатели и двигатели с импульсной детонацией (PDE) могут привести к транспортная промышленность.
Проблема эффективности
Критика двигателей внутреннего сгорания, в том, что они неэффективны. Например, усовершенствованное внутреннее сгорание двигатели современных автомобилей имеют максимальную тепловую эффективность около 35-40% для бензина и 40-45% для дизельного топлива. Массивный судовой дизель двигатели обладают тепловым КПД более 60%, однако эти двигатели в этом отношении исключительны. С учетом сказанного, большинство людей удивляйтесь, почему инженеры не могут разработать гораздо более эффективные двигатели.
Проблема в том, что 2-й закон термодинамика ограничивает эффективность всех двигателей внутреннего сгорания. В 1824 г. Сади Карно показал, что наиболее эффективный цикл для тепловой машины — это тот, который не генерирует энтропию. Самый простой и, пожалуй, самый сбивающее с толку определение энтропии состоит в том, что это метрика для количественной оценки хаос системы, определяемый постоянной Больцмана, умноженной на натуральный логарифм кратности системы. Для макроскопических систем это более уместно рассматривать энтропию как термодинамическую величину, которая описывает энергию, необходимую для организации изолированного, не реагирующего система частиц в их состояние равновесия.В результате любые процесс, который генерирует энтропию, уменьшает количество энергии, которое может быть извлекается из системы как полезная работа. Карно показал, что максимальная КПД такой тепловой машины составляет:
n th = 1 — T C / T H, где n th — тепловой КПД, T C — температура холодного резервуара и T H — температура горячего резервуара.С типичными двигателями внутреннего сгорания работая в диапазоне от 1750 ° K до 298 ° K, это уравнение утверждает, что максимальный КПД такого двигателя составляет 83%. Вдруг морской дизели с КПД 60% выглядят неплохо.
Предел эффективности Карно представляет собой Святой Грааль конструкции двигателя, и это никогда не будет достигнуто на практике, потому что все двигатели внутреннего сгорания генерируют энтропию за счет трения, химического смешения, тепла перенос через конечные градиенты температуры, и процесс горения Само собой назвать лишь несколько механизмов.С учетом сказанного цель каждого Разработчик двигателя должен разработать двигатель, который минимизирует энтропию поколение.
Двигатели, борющиеся со вторым законом
Множество различных циклов двигателя, пытающихся уменьшить было предложено генерирование энтропии, однако в этой статье основное внимание уделяется два, которые недавно привлекли внимание в академических кругах и промышленности: HCCI двигатели и ПДД.
HCCI
ДвигателиHCCI — привлекательный тип внутреннего двигатель внутреннего сгорания, предлагающий потенциал для повышения эффективности и снижение выбросов.В этом устройстве топливо и воздух смешиваются при входе цилиндр и сжимают до самовоспламенения. HCCI горение происходит почти мгновенно, так как это ограничено химической кинетикой и не распространение фронта пламени или смешивание топлива с воздухом, как в случае искры зажигаемые (SI) и дизельные двигатели соответственно. В результате двигатели HCCI обычно механически ограничиваются очень бедными смесями (низкие нагрузки) до снизить серьезность резкого и быстрого воспламенения.[2]
Поскольку вся смесь воспламеняется почти одновременно, Двигатели HCCI не ограничиваются разрушительным детонацией и могут поэтому работайте с дизельными двигателями с коэффициентами сжатия (CR> 15). [2] Это значительное улучшение конструкции по сравнению с обычными двигателями SI. потому что КПД двигателя увеличивается с увеличением степени сжатия. Например, термический КПД идеального цикла Отто улучшается по сравнению с От 47% до 56% при увеличении степени сжатия с 8 до 15.В кроме того, при работе на обедненной смеси рабочая жидкость в двигателях HCCI имеет более высокий коэффициент удельной теплоемкости, что также приводит к большему тепловому эффективность. Наконец, двигатели HCCI не дросселируют впускную смесь и таким образом, не платите штраф за дросселирование.
PDE
PDE предлагают потенциал в качестве более эффективной силовой установки двигатель для самолета. PDE обычно состоят из детонационной трубы, действующей как камера сгорания, соединенная с каким-либо типом вытяжного устройства (е.грамм. сопло или турбина). Система искрового зажигания используется для инициирования пламя, которое распространяется вниз по трубе до дефлаграции и детонационный переход (DDT), при котором возникает сверхзвуковая детонационная волна проходит по оставшейся части трубки, нагревая и сжимая оставшаяся топливно-воздушная смесь. В результате большая часть топлива загорелся за детонационной волной при повышенной температуре воспламенения и давление. Затем газообразные продукты сгорания с высокой температурой и давлением расширен, чтобы произвести тягу.
Из анализа идеального цикла с учетом калорийности идеальные идеальные газы Roy et al. показал, что воздух-этилен детонационный цикл имел тепловой КПД 45,2% по сравнению с 43,5% и 31,5% для цикла Хамфи и Брайтона с одинаковой степенью сжатия. [3] Этот анализ показывает, что цикл PDE может быть на 43% больше эффективнее, чем цикл Брайтона, который представляет собой упрощенный цикл газовой турбины модель. Критики PDE сомневаются, что повышение эффективности предложенные этим элементарным анализом осуществимы, однако, исследователи продолжают изучать эти двигатели.
Выводы
Короче говоря, значительный акцент был сделан на разработка двигателей внутреннего сгорания с повышенным КПД которые потребляют обычное углеводородное топливо. Эти двигатели пытаются свести к минимуму термодинамически необратимые потери, двигатели внутреннего сгорания на протяжении десятилетий. Однако пока у этих двигателей есть потенциал для повышения эффективности, они чрезвычайно сложны. Представленный здесь анализ сильно упрощен и полезен только для понимание основных задействованных принципов.Нюансы, регулирующие процессы зажигания в обоих этих двигателях недостаточно изучены и освоение разработки этих двигателей потребует продвижения в современное понимание материаловедения, турбулентности, квантовой химия и оптическая диагностика для исследования этих двигателей.
© 2011 Кристофер Гольденштейн. Автор дает разрешение на копирование, распространение и отображение этой работы в неизмененном форма с указанием ссылки на автора только для некоммерческих целей.Все другие права, включая коммерческие, принадлежат автор.
Список литературы
[1] «Транспорт» Статистический годовой отчет за 2010 г., Министерство транспорта США, 2011.
[2] F. Zhao et al. , ред., Однородный заряд Двигатели с воспламенением от сжатия (HCCI) , (Soc. Automotive Engineers Inc., 2003).
[3] G. D. Roy et al. , «Импульсная детонация» «Движение: вызовы, текущее состояние и перспективы на будущее», Prog.Energy Combustion Sci. 30 , 545 (2004).
Современный двигатель внутреннего сгорания
Современный двигатель внутреннего сгоранияДжоаб Камарена
7 декабря 2015 г.
Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2015 г.
Введение
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — вот что движет большинство автомобилей сегодня и существует уже много лет. ICE имеет подвергся многочисленным изменениям исключительно с целью улучшения выходная мощность и минимизация потерь энергии.Как работает процесс что есть впуск через отверстия портов, который толкает поршень вниз начало его цикла сжатия и декомпрессии, с энергией от этого передается на коленчатый вал, позволяя движение автомобиль. Более распространенный двигатель внутреннего сгорания основан на четырех ход поршня для завершения своего цикла и высвобождения энергии для перемещения транспортное средство. [1-3]
Как это работает
В этом цикле четыре этапа: 1) прием, 2) компрессия, 3) сгорание и рабочий ход, и, наконец, 4) выхлоп (Рисунок.1). Вот как это работает:
Впуск: Топливо-воздушная смесь входит в цилиндр, когда поршень опускается и впускной открывается.
Сжатие: После закрытия на входе топливно-воздушная смесь увеличивается по давлению и температура, поскольку поршень сжимает газ, перемещая вверх.
Горение и удар: Энергия высвобождается в результате реакции горения, вызванной зажигание свечи зажигания, воспламеняющей топливно-воздушную смесь и доводит до высокой температуры.По мере увеличения смеси по температуре и давлению он давит на поршень, следовательно, вызывая рабочий ход, который вращает коленчатый вал.
Выхлоп: Побочные продукты, образующиеся затем реакция горения выпускается через выхлоп трубу, и цикл повторяется, когда впускное отверстие открывается и выпускается клапан закрывается. [2,3]
Энергетический анализ
Хотя это обычно используемый двигатель в транспортных средствах сегодня это не значит, что он самый эффективный.Горение неэффективность измеряет часть энергии, которая не используется из топливо. Установлено, что тепловые потери теплоносителя и тепловые потери энергии выхлопных газов являются самыми большими источниками тепловых потерь, что способствует отсутствию оборота энергии. Постоянно утверждается, что Второй закон Термодинамика не позволяет всем двигателям достигать максимальной температуры. эффективность, но это не означает, что мы не можем улучшить коэффициент конверсии энергии. Постоянные инновации и модернизация внутреннего сгорания двигатель позволили улучшить преобразование энергии топлива.[4]
Заключение
Знать, как работает двигатель внутреннего сгорания и в чем заключается его неэффективность, правильная технология и дизайн двигатель внутреннего сгорания позволит нам лучше использовать энергию в топливе. Хотя цены на газ постоянно колеблются, наиболее вероятной тенденцией в будущем будет повышение цен на газ, что только заставит двигаться к разработке высокоэффективных автомобилей сильнее.Это возможно даже при постоянном диалоге о отказ от ископаемого топлива и последствия изменения климата, что, наряду с нашим нынешним технологическим бумом мы больше не будем полагаться на двигатель внутреннего сгорания для транспортных средств будущего.
© Жоаб Камарена. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с указание на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.
Список литературы
[1] J. R. Clarke et al. , «Индукция двигателя Система и метод », Патент США 4860709, 29 августа 89 г.
[2] Д. К. Джанколи, Физика: принципы с Приложения, 7-е изд. (Addison-Wesley, 2013), стр. 421.
[3] Б. Кроу, «Внутренний Двигатель внутреннего сгорания, Physics 240, Стэнфордский университет, осень 2012 г.
[4] М. Баглионе, М.Дьюти и Г. Панноне, «Автомобиль». Методология системного энергетического анализа и инструмент для определения транспортного средства Подсистема энергоснабжения и спроса », Технический документ SAE 2007-01-0398, г. 16 апреля 07.
Mazda заявляет, что ее бензиновый двигатель следующего поколения будет работать чище, чем электромобиль
Mazda делает ставку в своем будущем на продолжение существования двигателя внутреннего сгорания, с такими умными технологиями, как искровое зажигание от сжатия, которое дебютирует в двигателе Skyactiv-X для серийных автомобилей нового поколения Mazda.Но автопроизводитель уже задумывается о будущем двигателей внутреннего сгорания. Automotive News сообщает, что Mazda работает над новым газовым двигателем Skyactiv-3, который, по словам автопроизводителя, будет таким же чистым, как электромобиль.
Выступая на техническом форуме в Токио, руководитель трансмиссии Mazda Мицуо Хитоми сказал, что главная цель Skyactiv-3 — повысить тепловой КПД двигателя примерно до 56 процентов. Если это будет достигнуто, двигатель Skyactiv станет первым поршневым двигателем внутреннего сгорания, который превращает большую часть энергии топлива в энергию, а не в отходы из-за трения или потери тепла.
На сегодняшний день самый термически эффективный автомобильный двигатель внутреннего сгорания принадлежит команде Mercedes-AMG Formula 1 с КПД 50 процентов; AMG надеется, что двигатель на основе F1 в уличном суперкаре Project One достигнет 41-процентного теплового КПД, что сделает его самым термически эффективным двигателем для серийных автомобилей в истории. Automotive News говорит, что цель Mazda — 56% — это улучшение на 27% по сравнению с нынешними двигателями Mazda. Хитоми не указал сроки, когда Skyactiv-3 выйдет в производство, и не указал, как Mazda надеется добиться такого улучшения.
Заявление Mazda о том, что Skyactiv-3 будет более чистым в эксплуатации, чем полностью электрический автомобиль, является смелым и требует некоторой распаковки. Mazda основывает это утверждение на своих оценках выбросов «от скважины к колесам», подсчитывая загрязнение, вызванное производством ископаемого топлива и выработкой электроэнергии коммунальными предприятиями, для сравнения выбросов Skyactiv-3 и электромобилей. Такой анализ отражает реальность того, что в настоящее время большая часть электроэнергии вырабатывается за счет ископаемого топлива. В регионах, где электричество получают от ветра, солнца или гидроэлектроэнергии, электромобили явно выиграют спор, но сегодня для многих потребителей это не так.
Если Mazda сможет создать серийный двигатель внутреннего сгорания с тепловым КПД более 50 процентов, это будет невероятный подвиг — и, вероятно, поможет гарантировать дальнейшую выживаемость поршневого двигателя.
Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.
Почему мы должны продолжать инвестировать в развитие двигателей внутреннего сгорания для дорожного применения | Нефтегазовая наука и технологии
Нефтегазовая наука и технологии — Rev.IFP Energies nouvelles 75 , 56 (2020)Обычная статья
Почему нам следует и дальше инвестировать в развитие двигателей внутреннего сгорания для дорожного применения
Лука Лешник 1 * , Бреда Кегл 1 , Элоиза Торрес-Хименес 2 и Фернандо Крус-Перагон 2
1 Факультет машиностроения, Мариборский университет, улица Сметанова 17, SI-2000 Марибор, Словения
2 Кафедра машиностроения и горного дела, Хаэнский университет, кампус Лас-Лагунильяс, серийный номер, 23071, Хаэн, Испания
* Автор, ответственный за переписку: [email protected]
Поступило:
19
сентябрь
2019 г.
Принято:
2
июль
2020 г.
Аннотация
Сегодня большинство дорожных транспортных средств приводится в действие двигателями внутреннего сгорания, которые в большинстве случаев работают на жидком топливе, полученном из нефти, в смеси с биокомпонентами. Отношение мощности к весу двигателей внутреннего сгорания в сочетании с высоким содержанием энергии обычного топлива, которое можно легко заправить за считанные минуты, делает их идеальными для всех видов дорожных перевозок.С момента введения норм выбросов EURO выбросы в транспортном секторе Европейского Союза значительно сократились. Существует несколько альтернатив ископаемому топливу с аналогичными свойствами, которые могут заменить их использование в транспортном секторе. Основное внимание в исследованиях последних десятилетий уделялось биотопливу, которое можно производить из нескольких источников. Производство биотоплива обычно более энергоемкое, чем производство ископаемого топлива, но его использование может способствовать сокращению выбросов в транспортном секторе.В последние годы много усилий было направлено на продвижение электромобилей как транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. Это утверждение следует пересмотреть, поскольку парниковым эффектом электромобилей нельзя пренебречь. И наоборот, в некоторых случаях электромобиль может иметь даже более сильное воздействие на выбросы, чем современные автомобили со сложными двигателями внутреннего сгорания. Это характерно для стран, где большая часть электроэнергии производится на угольных электростанциях. С уменьшением выбросов парниковых газов в секторе производства электроэнергии и увеличением емкости аккумуляторных батарей роль электромобилей в транспортном секторе, вероятно, возрастет.Несмотря на значительные исследования и финансовые вложения в разработку электромобилей, транспортный сектор в ближайшем будущем будет в основном работать на двигателях внутреннего сгорания и жидком топливе, полученном из нефти. Уровень загрязнения от транспортного сектора будет дополнительно регулироваться более строгими нормами выбросов в сочетании с меньшим объемом использования альтернативного топлива.
© Л. Лешник и др., Опубликовано IFP Energies nouvelles, 2020
Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License (https: // creativecommons.org / licenses / by / 4.0), что разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.
1 Введение
Мировой спрос на энергию увеличивается почти каждый год. В 2017 году общее мировое потребление первичной энергии увеличилось на 2,1%, что увеличивает потребность в новых источниках энергии [1, 2]. Большая часть сегодняшних мировых потребностей в энергии обеспечивается за счет сжигания ископаемого топлива. Нефть по-прежнему остается доминирующим топливом, занимая 34% мирового рынка.За ним следуют уголь и газ, на долю которых приходится 27,6% и 23,4% мировых рынков соответственно. Доля мирового рынка возобновляемой энергии постоянно увеличивается и в 2017 году достигла 13,6%. Структура потребления первичной энергии в Европейском Союзе ( ЕС ) очень похожа на глобальную, Рисунок 1.
| Рис. 1 Потребление первичной энергии в ЕС [51, 52]. |
В 2016 году на ископаемое топливо приходилось более 72% общего потребления первичной энергии в странах ЕС .На твердое топливо (уголь, кокс, торф, горючие сланцы и нефтеносный песок) пришлось 14,8%, сырая нефть и нефтепродукты — 34,9% и газ — 23,6% соответственно. На атомную энергию и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) приходилось по 13,3% каждая. Все твердое и жидкое биотопливо, биогаз, гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия и возобновляемые отходы включены в категорию возобновляемых источников энергии.
На рисунке 2 представлена тенденция глобального потребления первичной энергии и производства углекислого газа в Европейском союзе (CO 2 ).
| Рис. 2 Global и EU тенденции потребления энергии и 2 выбросов CO [1, 2]. |
Четкая связь между потреблением первичной энергии и выбросами углекислого газа в мире и ЕС очевидна из результатов, представленных на Рисунке 2. Общее мировое потребление энергии быстро растет по сравнению с потреблением энергии в Европейском союзе, которое колеблется в более или менее на том же уровне с 1990 года.Основной причиной увеличения мирового потребления первичной энергии является быстрое развитие Китая, Индии и других азиатских стран, не входящих в ОЭСР [3]. Увеличение доли рынка возобновляемых источников энергии способствовало стабилизации роста выбросов CO 2 в последние годы.
Увеличение спроса на первичную энергию и снижение потребления ископаемого топлива в ЕС было покрыто увеличением рыночной доли возобновляемых источников энергии и газа. В период с 1990 по 2016 год рыночная доля возобновляемых источников энергии увеличилась с 4.От 3% до 13,3%, диаграмма 1.
В представленном документе исследуется текущая ситуация в секторе пассажирского транспорта Европейского Союза по энергопотреблению, образованию выбросов и технологии силовых установок. В представленной статье также изучалась применимость различных альтернативных силовых установок к обычным дизельным и бензиновым двигателям. В документе также рассмотрены некоторые новые технологии двигателей и их потенциал для снижения расхода топлива и образования выбросов. В конце, энергия и интенсивность выбросов различных силовых установок и различных видов топлива были сравнены с традиционными двигателями с прямым впрыском и воспламенением от сжатия.
2 Транспортный сектор
ЕСЭнергия, произведенная из первичных источников, используется в нескольких сферах человеческой деятельности. Потребление первичной энергии в Европейском Союзе можно разделить на потребление в конкретных секторах, Рисунок 3.
| Рис. 3 ЕС потребление первичной энергии по секторам [51]. |
Соотношение энергопотребления в конкретных секторах показывает, что транспортный сектор в ЕС составляет одну треть общего потребления первичной энергии.Вторым по величине сектором потребления энергии является жилищный сектор с 26%, за ним следует промышленный сектор, который потребляет четверть первичной энергии.
В статистике транспортный сектор подразделяется на железнодорожный, автомобильный, международную авиацию, внутреннюю авиацию, внутренние перевозки и другие транспортные сектора. На Рисунке 4 представлена структура конечного потребления энергии в Европе в транспортном секторе.
| Рис. 4 Конечное потребление энергии в транспортном секторе ЕС [51]. |
Результаты, представленные на Рисунке 4, показывают, что большая часть энергии в транспортном секторе потребляется автомобильным транспортом. Согласно [4] пассажирский транспорт составляет примерно 61% от общего потребления энергии в транспортном секторе ЕС .
Общая структура потребления энергии по видам топлива в миллионах тераджоулей (МТДж) и структура сектора пассажирских и грузовых перевозок в ЕС представлены в таблице 1.
Таблица 1 Структурапо видам топлива и структура пассажирских и грузовых EU транспортного сектора [4, 5, 12, 51, 53].
Из данных, представленных в Таблице 1, видно, что ископаемое топливо представляет собой большую часть топлива, используемого в транспортном секторе. Дизельное топливо по-прежнему остается наиболее продаваемым топливом для автомобильного транспорта, с долей рынка 67% в 2016 году. В общем транспортном секторе на дизельное топливо приходится примерно 49,4% доли рынка [5, 6]. Доля использования возобновляемых источников энергии в секторе автомобильного транспорта ЕС составляла всего 7.1% в 2016 году [5]. Большая часть возобновляемой энергии в секторе пассажирского транспорта получается путем смешивания биотоплива с обычным топливом в небольших количествах [7].
Структура топлива, используемого в транспортном секторе, отражает долю рынка регистрации новых транспортных средств. В 2016 году на долю легковых автомобилей с дизельным двигателем приходилось 49% рынка новых легковых автомобилей, зарегистрированных в Европейском Союзе [8].
Учитывая структуру транспортного сектора и используемые виды топлива, нет сомнений в том, что сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания для дорожных применений приводит к значительным выбросам CO 2 и других выхлопных газов.Тенденции транспортных выбросов оксида углерода (CO), неметановых летучих органических соединений (НМЛОС), оксидов серы (SO x ), оксидов азота (NO x ) и твердых частиц PM2,5 представлены на рисунке 5.
| Рис. 5 Тенденция выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от транспортного сектора в ЕС [9, 54]. |
Результаты, представленные на Рисунке 5, показывают, что все представленные транспортные выбросы в EU претерпели значительное сокращение в период с 1990 по 2016 годы.Выбросы оксида углерода и неметановых летучих органических соединений претерпели наибольшее сокращение, составившее примерно 85%. Окиси серы и оксиды азота подверглись снижению на 64% и 41% соответственно. Полученное сокращение выбросов PM2,5 с 2000 по 2016 год составило около 42%.
Выбросы выхлопных газов автомобильного транспорта в Европейском Союзе составляют 18,9% от общих выбросов углекислого газа в ЕС, 6,3% от общих выбросов НМЛОС в ЕС, 28,6% от общих выбросов NO в ЕС x , 3.1% от общих выбросов твердых частиц PM10 в ЕС, 5,8% от общих выбросов твердых частиц PM2,5 в ЕС и 1% от общих выбросов SO x в ЕС. Также значительный вклад составляют не выхлопные газы EU автомобильные выбросы. На его долю приходится 2% от общего количества НМЛОС в ЕС, 4,6% от общих выбросов PM10 в ЕС и 4,2% от общих выбросов PM2,5 в ЕС [9].
Снижение транспортных выбросов является результатом нескольких факторов. На автомобильном транспорте внедрение стандартов выбросов EURO, которые определяют допустимые пределы выбросов выхлопных газов новых автомобилей, продаваемых в регионе EU , является основным фактором сокращения выбросов в регионе EU .Их внедрение способствовало внедрению систем прямого впрыска бензина (GDI), блоков управления двигателем (ECU) и каталитических нейтрализаторов в автомобилях с бензиновыми двигателями. В автомобилях с дизельными двигателями нормы EURO привели к внедрению систем Common Rail, систем рециркуляции выхлопных газов (EGR) и сажевых фильтров. Более поздние нормы EURO привели к разработке и внедрению систем избирательного каталитического восстановления (SCR), катализатора окисления дизельного топлива (DOC) и ловушек для обедненных NO x в современных дизельных транспортных средствах.Системы турбонаддува и уменьшенные объемы двигателей были внедрены как в дизельные, так и в бензиновые двигатели. Все эти системы помогли снизить выбросы CO, NO x , HC и PM [10]. На сокращение выбросов также повлияло изменение качества топлива. Бензиновые топлива с более высоким октановым числом и дизельные топлива с более высоким цетановым числом позволили производителям двигателей производить двигатели с более высокой степенью сжатия, а также получать более высокую эффективность двигателя и более низкий удельный расход топлива.Введение Директив ЕС , касающихся содержания серы в жидком топливе, также способствовало сокращению выбросов оксидов серы (SO x ) [11].
Усовершенствования, регулируемые введением норм EURO , привели к усовершенствованию двигателей внутреннего сгорания и других систем транспортных средств. Эти улучшения дополнительно повлияли на расход топлива автомобилем и выбросы CO 2 . Средний расход топлива и выбросы CO 2 европейских автомобилей, испытанных по циклу NEDC, снизились на 27.9% и 30,2% соответственно в 2016 году по сравнению с 2001 годом. За тот же период средняя номинальная мощность двигателя и масса европейского легкового автомобиля увеличились на 28,4% и 11,1% соответственно. Несмотря на все улучшения и снижение энергопотребления, автомобильный транспорт в ЕС по-прежнему потреблял на 32% больше энергии в 2016 году, чем в 1990 году [12]. Основная причина увеличения потребления энергии автомобильным транспортом заключается в росте автомобильного транспорта. С 1990 года среднее количество легковых автомобилей на 1000 жителей в странах Европейского Союза в увеличилось на 1.7 раз [13].
3 Усовершенствования двигателей внутреннего сгорания и альтернативы топливу на нефтяной основе
В своем развитии автомобили и двигатели внутреннего сгорания претерпели множество модификаций, которые были реализованы с целью повышения их характеристик, снижения расхода топлива и уменьшения образования вредных выбросов выхлопных газов. Несмотря на то, что в настоящее время многие исследователи сосредоточены на разработке альтернативных систем пропорционального регулирования, все еще проводятся некоторые исследования того, как повысить эффективность обычных ДВС, снизить выбросы выхлопных газов и оптимизировать системы транспортных средств.
Есть несколько вариантов, где мы можем использовать современные технологии. Альтернативные виды топлива, такие как биодизель, дают нам возможность влиять на сокращение выбросов до того, как топливо будет сожжено. Современные новые технологии двигателей влияют на снижение расхода топлива, улучшение процесса сгорания и повышение эффективности двигателя.
3.1 Современные технологии двигателей внутреннего сгорания
Первые двигатели внутреннего сгорания имели КПД в несколько процентов, который теперь увеличился почти до 50% для тяжелых низкооборотных судовых дизельных двигателей.Существующие системы в двигателях внутреннего сгорания, такие как системы открытия клапанов, системы смазки, системы охлаждения, системы впрыска и т. Д., Могут быть дополнительно оптимизированы. Ожидается, что сумма всех возможных улучшений в системах двигателя в сочетании с дополнительным снижением трения, увеличением степени сжатия, регулируемым управлением клапанами на всех режимах работы, двухступенчатыми турбокомпрессорами, внедрением систем старт / стоп и более эффективными системами трансмиссии в сочетании с вес транспортного средства, сопротивление шин и снижение лобового сопротивления могут снизить расход топлива легковым транспортным средством на 20% в следующие 10–15 лет [14].Немного меньшее снижение расхода топлива можно ожидать в European Union , поскольку многие новые автомобили уже имеют уменьшенные двигатели с турбонаддувом. Более высокое снижение расхода топлива может быть достигнуто за счет внедрения современных технологий двигателей, которые в настоящее время отсутствуют на рынке.
Основным недостатком бензиновых двигателей в достижении более высокого КПД является их низкая степень сжатия по сравнению с двигателями с воспламенением от сжатия. В традиционных бензиновых двигателях с искровым зажиганием (SI) коэффициент сжатия (CR) ограничен коэффициентом около 13, чтобы избежать детонации топлива и повреждения двигателя.В последние десятилетия была проделана большая работа по системам впрыска бензина и дозированию топлива, где мы наблюдаем переход от карбюраторов к многоточечным системам впрыска и к системе прямого впрыска бензина (GDI).
В последние годы появились передовые концепции бензиновых двигателей, такие как воспламенение от сжатия бензина (GCI), воспламенение от сжатия однородного заряда (HCCI), горение с частичным предварительным смешиванием (PPC), низкотемпературное горение (LTC), октановое число по запросу (OOD) и т. Д. . были разработаны.Эти концепции позволяют бензиновым двигателям работать при более высоких степенях сжатия до 18 и достигать более высокого КПД двигателя без увеличения образования выбросов в цилиндрах. Большинство этих концепций сочетают в себе прямой впрыск бензина под высоким давлением, несколько впрысков за цикл, низкую и высокую рециркуляцию выхлопных газов, регулируемые фазы газораспределения и т. Д., Чтобы использовать бензин в двигателях с воспламенением от сжатия с высокой степенью сжатия [15, 16]. Некоторые версии этих концепций, такие как искровое зажигание со сжатием (SPCCI), коммерчески доступны с 2019 года.
Еще более высокий КПД двигателя и более значительное сокращение образования выбросов возможны, если одновременно будут разрабатываться новые виды топлива и новые концепции двигателей. Топливо с более низким октановым числом (~ 70) может помочь в успешной работе двигателей с воспламенением от сжатия в режиме GCI [17, 18]. Такое топливо можно производить на нефтеперерабатывающих заводах из нафты, которую затем перерабатывают для получения бензина с достаточным октановым числом и другими свойствами. Процесс их производства менее требователен и дешевле, поскольку низкооктановое топливо требует меньше добавок и меньше обработки.
Принцип работы дизельного двигателя с воспламенением от сжатия (CI) с прямым впрыском топлива позволяет им работать при более высоких степенях сжатия и достигать более высокого КПД по сравнению с бензиновыми двигателями. Конструкция современных дизельных двигателей очень сложна и дорога. Чтобы контролировать более высокие значения твердых частиц, дизельные двигатели должны работать на обедненной топливной смеси, что увеличивает производство оксидов азота, поэтому требуются дополнительные системы для контроля образования NO x .За последние десятилетия по системам впрыска дизельных двигателей было проделано много работы. Более высокое давление впрыска в двигателях с ХИ обычно приводит к лучшему распылению, улучшает процесс смешивания топлива и воздуха и является очень эффективным подходом к увеличению производительности двигателя. Более высокое давление впрыска также влияет на более равномерное распыление топлива. Высокое давление впрыска усиливает образование кавитации внутри впрыскивающего сопла, что влияет на лучший процесс разбрызгивания и более высокую скорость топлива на выходе из сопла [19–21].На процессы образования и разрушения топливных брызг также влияют количество инжекционных отверстий и форма объема соплового мешка [22].
Распыление топлива, процесс смешивания топлива с воздухом, повышение термического КПД прерывания и сокращение выбросов могут быть дополнительно оптимизированы за счет формы камеры сгорания. Доказано, что тороидальная форма камеры сгорания положительно влияет на рабочие параметры двигателя и снижает уровень выбросов [23, 24].
3.2 Системы доочистки выхлопных газов
Использование современных технологий ДВС позволяет снизить выбросы выхлопных газов только до определенной степени.Таким образом, необходимо использовать дополнительные системы доочистки выхлопных газов, чтобы достичь норм по выбросам и уменьшить загрязнение воздуха. При использовании этих систем выбросы выхлопных газов современных дизельных и бензиновых автомобилей стандарта EURO VI более или менее одинаковы [25].
Основными выбросами, которые необходимо контролировать / снижать в бензиновых двигателях SI, являются выбросы углеводородов, оксида углерода и оксидов азота. Поскольку бензиновые двигатели работают в условиях, близких к стехиометрическим, эти выбросы можно эффективно снизить с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.Эти системы не могут в достаточной степени работать с избытком кислорода в выхлопных газах, поэтому их нельзя использовать в дизельных двигателях с воспламенением от сжатия, которые работают на обедненной воздушно-топливной смеси [26].
В большинстве современных дизельных двигателей используются системы рециркуляции выхлопных газов (EGR) для снижения выбросов NO x . Выбросы NO x нельзя полностью контролировать только с помощью систем рециркуляции отработавших газов. Чтобы еще больше снизить выбросы NO x , большинство современных автомобилей, оснащенных дизельными двигателями, имеют встроенные системы избирательного каталитического восстановления (SCR).Эти системы способны дополнительно снизить выбросы NO x , используя химические реакции с такими реагентами, как аммиак или мочевина. У дизельных двигателей также есть большая проблема с твердыми частицами, которые можно эффективно уменьшить с помощью дизельных сажевых фильтров. Катализатор окисления дизельного топлива может использоваться для окисления выбросов оксида углерода и углеводородов [27].
Системы доочистки выхлопных газов — эффективный способ снизить выбросы выхлопных газов, которые в настоящее время используются во всех новых автомобилях, продаваемых в EU .В будущем для достижения норм ЕВРО потребуется больше систем доочистки выхлопных газов. Ожидается, что в двигателе с интегрированным двигателем для снижения выбросов твердых частиц будут использоваться бензиновые фильтры твердых частиц, а в двигателе с непрерывным циклом выбросы обедненных NO x (LNT) помогут дополнительно снизить выбросы оксидов азота.
3.3 Альтернативные виды топлива
Выбросы от сжигания ископаемых видов топлива можно также снизить за счет использования альтернативных видов топлива. Они представляют собой несколько альтернатив топливам на нефтяной основе, которые в настоящее время доступны в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.Все эти альтернативы вместе составляют около 5% от общего спроса на энергию в транспортном секторе. В будущем ожидается, что к 2040 году они смогут составлять до 10% транспортной энергии [4, 28].
3.3.1 Водород
Водород — это очень чистое топливо с нулевыми выбросами в выхлопной трубе транспортного средства, и его можно использовать для питания легковых и грузовых автомобилей. Наиболее распространенное использование водорода на транспорте — это производство электроэнергии в топливных элементах, которые приводят в действие бортовой электродвигатель электромобилей на топливных элементах (FCEV).
Чистый водород нельзя найти в атмосфере Земли в больших количествах, поэтому его необходимо производить, чтобы использовать в качестве топлива. Для производства водорода требуется много энергии, что определяет окончательный объем выбросов водородных транспортных средств. Наиболее распространенными источниками производства водорода являются уголь, природный газ и вода [4, 29].
Энергосодержание водорода на единицу объема при нормальном давлении и температуре примерно в 3100 раз ниже, чем в бензине при тех же условиях.Чтобы использовать водород в качестве топлива в транспортных средствах, его необходимо сжать до 700 бар или сжижать путем охлаждения до −253 ° C. Оба процесса очень энергозатратны и создают довольно большую проблему для использования в транспортных средствах [4, 29, 30].
Основная проблема массового использования водорода в транспортном секторе заключается в его производстве, хранении и распределении, которые очень дороги. Этот факт, вероятно, ограничит его использование для специальных приложений.
3.3.2 Биотопливо
Снижение выбросов CO 2 в транспортном секторе является одним из ключевых факторов в достижении желаемого общего сокращения выбросов CO 2 .Биотопливо известно как ключевая альтернатива традиционным видам топлива для сокращения выбросов CO 2 в транспортном секторе [31, 32]. В настоящее время все дизельное топливо, продаваемое в Европейском Союзе , содержит несколько процентов биодизеля, а около 75% бензина содержит 5% этанола [7].
Биотопливо можно разделить на четыре поколения, которые различаются в зависимости от типа сырья, используемого для их производства. Более 90% всего используемого в настоящее время биотоплива во всем мире — это биотопливо первого поколения, изготовленное из пищевой биомассы.Биотопливо второго поколения производится из лигноцеллюлозного материала, полученного из лигнина, целлюлозы или гемицеллюлозы. Это биотопливо гораздо более устойчиво для использования по сравнению с биотопливом первого поколения, поскольку сырье для его производства не конкурирует с возможными источниками пищи для человека. Макро- и микроводоросли представляют третье поколение биотоплива. Водоросли считаются материалами с самым высоким содержанием масла среди различных растений. В настоящее время производство биотоплива из водорослей слишком дорогое, поэтому этот тип (поколение) биотоплива неконкурентоспособен с биотопливом первого и второго поколений.Основным недостатком массового производства биотоплива из водорослей является экономичное снабжение CO 2 , питательными веществами и источником воды. Биотопливо четвертого поколения все еще находится на ранней стадии разработки. Их получают из генетически модифицированных микроорганизмов, таких как микроводоросли, грибы, цианобактерии или дрожжи [31, 33, 34].
3.3.3 Синтетическое топливо, метанол и диметиловый эфир
Жидкое топливо также может быть произведено из источников, содержащих смесь водорода и окиси углерода, которая может быть найдена в различных формах, таких как природный газ, уголь или биомасса.Наиболее подходящим и чистым источником для производства синтетического топлива является природный газ (ПГ). Топливо, полученное из ПГ, называется GTL (Gas-to-Liquid). Много GTL-топлива может производиться на нефтеперерабатывающих заводах, где природный газ является побочным продуктом, который обычно сжигается в газовых факелах или выбрасывается в атмосферу, что наносит вред окружающей среде. Синтетическое топливо, полученное из угля, обычно называют CTL (Coal-To-Liquid), а BTL — это аббревиатура от синтетического топлива из биомассы (Biomass-To-Liquid).
Процесс Фишера-Тропша (FT) может использоваться для производства GTL из природного газа на нефтеперерабатывающих заводах, а также из других источников, что может способствовать снижению загрязнения окружающей среды, повышению энергоэффективности нефтеперерабатывающих заводов и производству высококачественного топлива для Двигатели IC.Различные катализаторы и другие процессы, используемые в процессе F-T, могут производить как дизельное, так и бензиновое топливо [35].
Природный газ, уголь и биомасса также могут использоваться для производства метанола и диметилового эфира (DME). Метанол имеет высокое октановое число и используется в основном в качестве компонента смеси с бензином. Основным недостатком метанола является его высокая токсичность и агрессивность по отношению к топливным системам и их компонентам. DME имеет очень высокое цетановое число, поэтому он в основном используется в качестве заменителя топлива в дизельных двигателях.Проблема с широким использованием как метанола, так и ДМЭ заключается в инфраструктуре, необходимой для их распределения [4].
4 Использование электроэнергии на транспорте
электромобилей (электромобилей) существуют уже несколько десятилетий. Впервые они появились в 19 веке, когда массовое использование автомобилей с двигателями внутреннего сгорания не было столь популярным из-за большой разницы в свойствах жидких топлив и низкого качества производства ДВС. Во время и после Первой и Второй мировых войн машины с ДВС стали более надежными, что в сочетании с другими факторами повысило их популярность [36].С тех пор было разработано несколько версий автомобилей с электрической силовой установкой. В зависимости от источника энергии их можно разделить на гибридные электромобили (HEV), гибридные электромобили (PHEV), электромобили на топливных элементах (FCEV) и электромобили с аккумулятором (BEV).
4.1 Аккумулятор для электромобилей
БЭВ используют электричество как единственный источник энергии. Электрическая энергия (или электричество) является вектором энергии и не существует как источник в природе.Его необходимо генерировать и хранить, чтобы использовать в качестве источника энергии в электромобилях и других типах электромобилей. Емкость аккумулятора существенно влияет на повседневное использование электромобиля. Текущая удельная энергия батареи увеличилась с 10–25 Втч / кг в 19 веке до 80–150 Втч / кг в современных транспортных средствах [37]. Это увеличение плотности энергии и емкости аккумуляторов было достигнуто за счет использования лития и других редкоземельных металлов. Их использование влияет на окончательную цену комплекта аккумуляторных батарей и вносит значительный вклад в выбросы в течение жизненного цикла электрических и гибридных транспортных средств с аккумуляторными батареями.На производство литиевых батарей приходилось 20% выбросов в течение жизненного цикла BEV в Германии, которая является страной с очень высоким уровнем выбросов углерода с точки зрения производства электроэнергии, и на 50% в такой безуглеродной стране, как Норвегия, которая производит большую часть электроэнергии с использованием возобновляемых источников. источники [38].
Исследование Международного совета по чистому транспорту [38] показало, что в течение жизненного цикла более 150 000 км средний BEV производит на 50% меньше выбросов CO 2 , чем средний европейский автомобиль.Это значение сильно зависит от типа производства энергии и может варьироваться от 28% до 72%. Если мы сравним объем выбросов CO 2 с самым эффективным дизельным автомобилем, произведенным в 2016 году, разница между электрическим и обычным автомобилем уменьшится или даже станет в пользу автомобилей с дизельным двигателем в некоторых странах [13]. Средний срок службы BEV составляет более 20 лет, а аккумуляторной батареи — от 5 до 15 лет. Это означает, что общее количество выбросов CO 2 в жизненном цикле BEV и количество выбросов при производстве литиевых батарей в некоторых случаях может удвоиться [39].В соответствии с этим, нет никаких сомнений в том, что BEV могут помочь сократить выбросы CO 2 , но на сокращение сильно влияет источник (тип) производства электроэнергии.
Нынешняя плотность энергии аккумуляторов ограничивает их использование легковыми автомобилями малого и среднего размера. Стоимость производства аккумуляторов, относительно низкая плотность энергии и большой вес ограничивают их более широкое использование в коммерческих транспортных средствах. По словам Калгатги [18], вес аккумуляторной батареи для тяжелого грузовика класса 8 будет более чем в четыре раза выше, чем у обычного дизельного двигателя для грузовика этого класса.Цена только на аккумуляторную батарею будет выше, чем на весь грузовик с дизельным двигателем. Цена аккумуляторов и их вес по сравнению с обычными силовыми агрегатами / системами даже увеличивается на воздушном транспорте. Вес необходимого аккумуляторного блока для часто используемого коммерческого Airbus A320 Neo будет в 19 раз больше, чем максимальная взлетная масса самолета [18]. При нынешних скоростях зарядки этому аккумуляторному блоку потребуется более недели для полной зарядки.
4.2 Гибридные автомобили
Гибридные автомобили(HV) используют комбинацию электрического двигателя и двигателя внутреннего сгорания для обеспечения движения колес транспортного средства.Эта комбинация может повысить эффективность автомобиля и снизить расход топлива. Электроэнергия для питания электродвигателя хранится в аккумуляторной батарее, которая используется в качестве второй системы хранения энергии. Комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя управляется таким образом, чтобы оптимизировать эффективность трансмиссии и снизить расход топлива. Основным преимуществом гибридных транспортных средств является их способность преобразовывать кинетическую энергию во время торможения в электричество и сохранять ее в аккумуляторной батарее для последующего использования.Эта энергия обычно рассеивается в виде тепла в атмосфере в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Это также снижает количество загрязнений в результате износа тормозов.
Гибридные автомобилипредставлены в двух различных конфигурациях: гибридные электромобили (HEV) и гибридные электромобили (PHEV). Основное различие между ними заключается в том, что PHEV могут заряжать свои батареи во время вождения или использовать электричество от сети, в то время как обычные HEV заряжают свои батареи только во время вождения.Эта функция расширяет дальность действия PHEV на чистом электричестве и делает их гораздо более удобными, чем HEV [40].
В предыдущих исследованиях было показано, что гибридные автомобили могут снизить расход топлива по сравнению с обычными автомобилями, оснащенными двигателем внутреннего сгорания. Снижение расхода топлива более заметно в городских условиях с несколькими режимами остановки и запуска. Гибридные автомобили (HV) также могут помочь снизить выбросы выхлопных газов оксида азота. При использовании HV не наблюдалось значительного сокращения выбросов углеводородов (УВ).Выбросы оксида углерода (CO) увеличились по сравнению с обычными автомобилями из-за частых условий остановки и запуска, более низкой температуры выхлопных газов и снижения эффективности каталитического нейтрализатора [41].
4.3 Электромобили на топливных элементах
Другой возможностью для питания электромобилей является использование водорода или другого типа электролита. Большинство топливных элементов используют водород для выработки электроэнергии в автомобиле. Произведенное электричество затем используется для питания электродвигателей BEV или вспомогательных электродвигателей гибридных транспортных средств.По сравнению с аккумуляторными электромобилями, FCEV может заправляться быстрее и обеспечивать больший запас хода. Различные типы топливных элементов могут также использовать метанол, гидроксид калия, жидкую фосфорную кислоту, смесь расплавленных карбонатных солей и другие специальные материалы в качестве топлива для производства электроэнергии [42, 43].
Топливный элемент каждого типа разработан для работы в определенном температурном диапазоне. Топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEM), в которых в качестве топлива используется водород, являются наиболее подходящими для использования в транспортных средствах, поскольку они работают при низких температурах.Основная проблема массового (более широкого) использования топливных элементов PEM заключается в высокой стоимости производства водорода и чистой системы распределения, как обсуждалось ранее. Эту проблему можно решить с помощью топливных элементов с прямым метанолом (DMFC), которые работают на чистом метаноле. Метанол имеет более высокую плотность энергии по сравнению с водородом, его легче транспортировать и поставлять, но его токсичность необходимо учитывать при проектировании системы для его использования [42, 43].
4.4 Влияние на энергетический сектор
Большой вопрос при более широком использовании электромобилей — это последующее увеличение потребления электроэнергии.Можем ли мы производить достаточно электроэнергии, чтобы покрыть все наши потребности в ежедневных перевозках? Текущее конечное потребление энергии в транспортном секторе ЕС выше, чем доступная электрическая энергия для конечного потребления, Рисунок 6.
| Рис. 6 Сравнение потребления энергии в транспортном секторе и электроэнергии, доступной для конечного потребления в ЕС в 2016 году [44]. |
Данные, представленные на Рисунке 6, показывают, что в настоящий момент мы не производим достаточно электроэнергии, чтобы покрыть все потребности в энергии в транспортном секторе.Как обсуждалось ранее, нынешний вес и плотность энергии батарей ограничивают использование электроэнергии в легких легковых автомобилях, используемых для личной мобильности. Потребление топлива, связанное с личной мобильностью, составило 61% от общего мирового потребления энергии на транспорте в 2012 году, в то время как на легкие личные автомобили приходилось 44% от общего мирового потребления энергии на транспорте в 2012 году. Эта величина зависит от конкретной страны или региона. В европейских странах ОЭСР на легковые автомобили приходилось примерно 50% общего потребления энергии в транспортном секторе в 2012 году [4].Учитывая эти данные, мы потенциально могли бы заменить ископаемое топливо, используемое для сжигания в легких личных транспортных средствах, электричеством.
Согласно Eurostat [44], около 36,4% электроэнергии в ЕС используется в промышленности, более 61,3% используется в домашних хозяйствах и около 2,3% в транспортном секторе. Использование большего количества электроэнергии для питания наших транспортных средств может существенно повлиять на цены на электроэнергию для домашних хозяйств и конечную продукцию. Если цена на электроэнергию вырастет, это также может повлиять на конкурентоспособность нашего промышленного сектора.
Если посмотреть дальше, 48,7% электроэнергии, произведенной в ЕС в 2016 году, было получено за счет сжигания горючего топлива, такого как природный газ, уголь или нефть. Более четверти, 25,7% электроэнергии было произведено на атомных станциях. Третий по величине источник производства электроэнергии — гидроэлектростанции с долей 12,1%, за ними следуют ветер, 9,7% и солнечная энергия с долей 3,5% [45].
В последние годы было много дискуссий о де-фоссилизации сектора производства электроэнергии в некоторых европейских странах, особенно в Германии.Это может привести к снижению производства энергии (энергии, доступной для конечного потребления), что может иметь дальнейшее влияние на цены на электроэнергию для домашних хозяйств среднего размера [46, 47].
5 Энергетические потребности для производства топлива
В последние годы было много дискуссий о том, сколько энергии требуется для производства жидкого топлива (бензина и дизельного топлива). Исследования Well-To-Tank (WTT) подходят для определения количества энергии, необходимого для производства топлива, которое можно купить на заправочных станциях.Было проведено несколько исследований по определению потребления энергии в процессе нефтепереработки в разных регионах (странах) [48–50]. Результаты по потреблению энергии в EU в процессе производства дизельного и бензинового топлива представлены в таблице 2.
Таблица 2Энергопотребление в процессе нефтепереработки в EU .
Энергию, необходимую для производства топлива, можно увидеть из представленных результатов энергетического баланса, которые показывают, сколько энергии требуется для производства конкретного топлива.Около одной пятой конечной энергии используется для производства ископаемого топлива. Если преобразовать это в электрическую энергию, мы увидим, что для производства 1 литра дизельного и бензинового топлива требуется около 2 кВтч электроэнергии.
Большая часть энергии, используемой на нефтеперерабатывающем заводе, вырабатывается за счет поступления сырья и производится на нефтеперерабатывающем заводе. Некоторые источники энергии также необходимо покупать [49]. Электроэнергия, используемая в процессе нефтепереработки, обычно вырабатывается на электростанции нефтеперерабатывающего завода из топлива, такого как мазут.Покупная электроэнергия составляет менее 5% энергии, потребляемой в процессе нефтепереработки [48–50]. Согласно исследованию JRC [48], около половины энергии, используемой в WTT, используется в процессе переработки топлива. Если мы рассмотрим эти данные и предположим, что на других этапах WTT также необходимо закупить такое же количество электроэнергии (вместе 10% энергии, используемой в WTT), мы получим разные результаты использования электроэнергии в производстве топлива, Таблица 2.
На основании представленных данных можно сделать вывод, что количество энергии, используемой в процессе рафинирования, не является незначительным.Используемая энергия производится из нескольких источников, которые в основном являются побочными продуктами нефтеперерабатывающего завода, поэтому их нельзя напрямую преобразовать в электричество и использовать для питания электромобилей. Учитывая эффективность их преобразования в электричество 35%, можно определить количество энергии, которое потенциально может быть использовано для питания электромобилей, без учета каких-либо потерь при транспортировке электроэнергии (потери в электросети), батарей электромобилей и т. Д. Таблица 2.
Исследования Well-to-Tank (WTT) позволяют нам оценить увеличенную энергию и выбросы, выделяемые в процессах, необходимых для производства определенных видов топлива, и доставлять их на автозаправочные станции.Исследования Tank To Wheels (TTW) дополнительно оценивают увеличение энергии и выбросы, выделяемые конкретными автомобилями и комбинациями топлива. Если мы суммируем эти значения, мы получим исследование Well-To-Wheels (WTW), которое дает нам представление о количестве увеличенной энергии и выбросах, выделяемых при управлении транспортным средством с определенным типом двигателя, использующим другое топливо или биотопливо. В исследовании WTW также рассматриваются различные варианты производства конкретного топлива, такие как различные пути распределения сырья (ПГ из трубопроводов, ПГ из сланцевого газа и т. Д.).), различное сырье для производства топлива (биодизель из рапсового масла, биодизель из подсолнечного масла и т. д.), различные виды используемой энергии ( EU смешивают электроэнергию, электроэнергию с угольных электростанций и т. д.) и тому подобное.
В представленной статье мы суммируем результаты исследования WTW Европейской комиссии [48], для энергии, израсходованной в МДж / 100 км, и выбросов в г CO 2 экв. / км. В том случае, когда несколько вариантов сырья, путей и т. Д., были доступны для конкретного вида топлива, мы рассчитали и использовали среднее значение. В исследовании представлены результаты WTW для обычных автомобилей 2010 года и для варианта 2020 года. Результаты для варианта 2020 года содержат достижения в традиционных технологиях (снижение аэродинамического сопротивления транспортного средства, улучшение сопротивления качению, снижение веса, уменьшение габаритов двигателя и использование систем последующей обработки) по сравнению с 2010 годом. На рисунках 7 и 8 мы представляем Результаты исследования WTW для израсходованной энергии и выбросов для варианта транспортного средства 2020 года (прогноз).
| Рис. 7 Общее количество энергии, израсходованной в WTW для автомобильной техники 2020 г. [48]. |
| Рис. 8 Выбросы WTW для автомобильной техники 2020 года [48]. |
Использование бензина в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском (DISI) и дизельное топливо в двигателях с непосредственным впрыском и компрессионным зажиганием (DICI) потребляет меньше энергии, чем использование большинства рассмотренных альтернативных видов топлива, рисунок 7.Увеличение энергии связано с более высокой энергоемкостью производства альтернативных видов топлива по сравнению с производством традиционных видов топлива. На энергоемкость также влияет эффективность сгорания каждого топлива и путь транспортировки сырья (, например, , природный газ (ПГ), транспортируемый на 4000 км по трубопроводам, или сланцевый газ, перекачиваемый в EU ). Двигатели с портовым впрыском искрового зажигания (PISI) потребляют немного больше энергии, чем двигатели с искровым зажиганием с прямым впрыском, при работе на сжиженном природном газе (СПГ).
При рассмотрении результатов для этанола и биодизеля мы должны иметь в виду, что общая энергия представлена на рисунке 7. Общая энергия состоит из химической энергии, хранящейся в ресурсе биомассы (сырье), и энергии, необходимой для производства топлива. . Энергия источника биомассы в несколько раз превышает используемую ископаемую энергию. Это причина того, что виды топлива из рапса, подсолнечника, соевых бобов и пальмового масла намного более энергоемки, чем сало и растительное масло.Такое же влияние, как и на высокую энергоемкость всех вариантов производства этанола.
Все синтетическое топливо и топливо DME также потребляют больше энергии, чем обычные бензин и дизельное топливо. Потребление энергии снова зависит от типа сырья, используемого для производства топлива. Производство из угля (уголь в жидкость — CTL) и из биомассы (биомасса в жидкость — BMT) требует больше энергии для производства синтетического топлива, чем производство из газа (газ в жидкость — GTL). Производство ДМЭ такое же.
Ситуация немного отличается при сравнении результатов по энергопотреблению HEV, PHEV, BEV и FCEV. Гибридные и гибридные электромобили менее энергоемки, чем автомобили с обычными двигателями DISI и DICI. Причина меньшего потребления энергии заключается в их способности преобразовывать кинетическую энергию во время торможения в электричество и сохранять ее в аккумуляторной батарее для последующего использования. Эта энергия, которая обычно тратится впустую в автомобилях с обычными двигателями, помогает снизить потребность в энергии для питания гибридных автомобилей.
У аккумуляторных и гибридных электромобилей потребление энергии сильно зависит от типа источника электричества. Более низкая эффективность производства электроэнергии достигается на атомных электростанциях, поэтому потребление энергии BEV и PHEV является самым высоким, когда атомные электростанции используются для производства электроэнергии.
Использование водорода в электромобиле на топливных элементах сильно зависит от метода производства водорода. Тепловой процесс производства водорода как из природного газа (ПГ), так и из сжиженного природного газа (СПГ) потребляет меньше энергии, чем использование ископаемого топлива.Электролизные пути производства водорода более энергоемкие. Исключение составляет только путь, на котором используется ветровая электроэнергия.
Все комбинации транспортных средств и топлива выделяют определенное количество выбросов. Объем выбросов в исследовании WTW представлен на Рисунке 8.
Тенденции выбросов при использовании различных альтернативных видов топлива отличаются от тенденций потребления энергии. Использование сжатого природного газа дает более или менее такое же количество выбросов, что и использование бензина и дизельного топлива, в то время как все другие рассматриваемые виды биотоплива выделяют гораздо меньше выбросов.Количество энергии, необходимое для производства биотоплива, сильно зависит от используемого сырья. Это приводит к разным объемам выбросов для разных путей получения биотоплива. Выбросы этанола и синтетического топлива также сильно зависят от используемого сырья. Разное сырье требует разных подходов к производству топлива, что приводит к разной интенсивности выбросов для каждого типа сырья. Если рассматривать результаты по интенсивности выбросов ДМЭ, производство ДМЭ из древесины является наиболее благоприятным.Основным источником энергии при преобразовании древесины в ДМЭ является сама древесина, поэтому объем выбросов очень низок по сравнению с производством ДМЭ из природного газа или угля.
При сравнении результатов для гибридных автомобилей и автомобилей с обычными двигателями, более низкая энергоемкость, как видно из результатов на Рисунке 8, влияет на меньшее количество выбросов парниковых газов. Объем выбросов парниковых газов аккумуляторным электромобилем зависит только от типа процесса производства электроэнергии.Процессы производства электроэнергии из угля и тяжелой нефти на сегодняшний день являются наиболее интенсивными по выбросам. Электроэнергия, производимая ветром и атомными электростанциями, является наиболее чистой. Это также отражено в FCEV, где процесс электролиза используется для производства водорода.
6 Заключение
В представленной статье исследуется текущая ситуация в области разработки двигательных систем дорожного применения. В последние годы гибридные и электрические транспортные средства значительно продвинулись в своем развитии и удобстве использования.Несмотря на весь достигнутый прогресс, нынешняя система автомобильного транспорта по-прежнему основана на двигателях внутреннего сгорания и сжигании жидкого топлива на основе нефти. Доля рынка всех BEV и всех гибридных автомобилей в европейских странах в 2016 году составила около 3,4%.
Мировой спрос на топливо на основе нефти ежегодно растет [18]. Общий объем энергии ветра и солнца, произведенной в 2016 году, смог покрыть глобальный спрос на энергию в транспортном секторе за 12 дней. Это показывает нам повседневное измерение спроса на энергию в транспортном секторе и указывает на сложность замены его нынешнего первичного источника энергии.Текущие тенденции в производстве электроэнергии и емкости аккумуляторных батарей не в пользу более широкого использования электроэнергии в транспортном секторе. Также возникает вопрос о способности электрической сети передавать больше электроэнергии в случае, если все больше и больше домохозяйств будут иметь электромобили, которые необходимо регулярно заряжать.
С другой стороны, недавний прогресс в разработке двигателей внутреннего сгорания повышает их эффективность и снижает выбросы выхлопных газов.Современные технологии сжигания и новые технологии доочистки выхлопных газов значительно снижают количество вредных выбросов, особенно от дизельных двигателей. Выбросы выхлопных газов строго регулируются нормами EURO и другими национальными нормами, которые способствуют развитию новых методов дополнительного сокращения выбросов. Они также поощряют использование биотоплива, которое смешивают с топливом на нефтяной основе в большинстве стран ЕС и доказали положительное влияние на сокращение выбросов.Использование биотоплива в сочетании с современными технологиями сжигания или с гибридными силовыми установками может иметь еще большее влияние на сокращение выбросов, чем каждое отдельное решение.
При рассмотрении других альтернатив традиционным видам топлива, таких как синтетическое топливо, ДМЭ и водород, мы должны быть очень осторожны. Как видно из исследования WTW, некоторые из них могут иметь большее воздействие на окружающую среду по сравнению с дизельным и бензиновым топливом. Производство электроэнергии в некоторых европейских странах все еще сильно зависит от угля.Этот тип производства электроэнергии также требует значительных выбросов и может быть более вредным для окружающей среды, чем использование обычного жидкого топлива на основе нефти в транспортном секторе.
Электричество, безусловно, сыграет важную роль в будущем дорожных силовых установок. Насколько велик будет его вклад, будет зависеть от будущего увеличения емкости аккумуляторных батарей, модернизации мощности электрических сетей, декарбонизации сектора производства электроэнергии, будущих тенденций в развитии автомобилестроения и т. Д.Большое беспокойство вызывает также цена на электроэнергию и снижение собираемых дорожных налогов от продажи ископаемого топлива, которое, как ожидается, последует на определенном этапе перехода к электрификации транспорта. Как видно из недавних данных о рыночных долях, гибридные электромобили во всех формах обладают наибольшим потенциалом для массового использования в будущем.
Все это указывает на то, что в ближайшем будущем двигатели внутреннего сгорания по-прежнему будут играть основную роль во всех типах дорожных приложений. Сочетание современного ДВС с повышенной эффективностью и меньшим воздействием на выбросы с частичной электрификацией транспортных средств в настоящее время представляет собой лучшее решение для сокращения выбросов парниковых газов в ближайшем будущем.Доступные технологии необходимо сбалансировать в соответствии с конкретными характеристиками каждого региона. Учитывая это, необходимы дальнейшие инвестиции в новые технологии двигателей внутреннего сгорания, системы доочистки выхлопных газов и биотопливо для дальнейшего снижения воздействия транспортного сектора на окружающую среду в ближайшем будущем.
Список литературы
- Статистический обзор мировой энергетики BP. (2018) https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/statistical-review/bp-stats-review-2018-full-report .pdf [доступ 12 марта 2019 г.]. [Google Scholar]
- МЭА. (2018) Global Energy & CO 2 Status Report 2017, Международное энергетическое агентство. [Google Scholar]
- Перспективы BP Energy.(2017) https://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/energyeconomics/energy-outlook-2017/bp-energy-outlook-2017.pdf [по состоянию на 26 февраля 2018 г.]. [Google Scholar]
- Международный энергетический прогноз. (2016) Управление энергетической информации, 2016.[Google Scholar]
- ЕЭЗ. (2018) Прогресс транспортного сектора ЕС в достижении его экологических и климатических целей, Европейское агентство по окружающей среде. [Google Scholar]
- Евростат.(2018) Показатели энергетики, транспорта и окружающей среды, издание 2018 г., Европейский Союз, Люксенбург. ISBN 978-92-79-96509-8 ISSN 2363-2372. [Google Scholar]
- ЕЭЗ. (2018) Качество топлива в ЕС в 2016 году, Европейское агентство по окружающей среде, doi: 10.2800/224432. [Google Scholar]
- Статистика европейского автомобильного рынка. (2017) Международный совет по чистому транспорту, http://eupocketbook.theicct.org. [Google Scholar]
- ЕЭЗ.(2018) Выбросы загрязнителей воздуха от транспорта, Европейское агентство по окружающей среде. [Google Scholar]
- Уильямс М., Миньярес Р. (2016) Техническое резюме стандартов выбросов транспортных средств Euro 6 / VI, icct, доступно онлайн на https: // www.theicct.org [дата обращения: 3.04.2019]. [Google Scholar]
- ЕЭЗ. (2018) Отчет об инвентаризации выбросов Европейского Союза за 1990–2016 гг. В соответствии с Конвенцией ЕЭК ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (LRTAP), Европейское агентство по окружающей среде, ISSN 1977-8449.[Google Scholar]
- EEA (2018) Конечное потребление энергии по видам транспорта, Европейское агентство по окружающей среде. [Google Scholar]
- Евростат, http: // appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/submitViewTableAction.do [доступ 26 марта 2019 г.] Ключевые слова: количество легковых автомобилей на 1 000 жителей. [Google Scholar]
- Хейвуд Дж., Маккензи Д. (2015) На пути к 2050 году: потенциал для значительного сокращения энергопотребления легковых автомобилей и выбросов парниковых газов, Автомобильная лаборатория Слоуна Массачусетского технологического института, Отдел инженерных систем.[Google Scholar]
- Мао Б., Пэн К., Хайфэн Л., Цзуньцин З., Минфа Ю. (2018) Воспламенение от сжатия бензина в многоцилиндровом дизельном двигателе большой мощности, Топливо 2015, 339–351. [CrossRef] [Google Scholar]
- Любой., Jaasim M., Raman V., Hernández Pérez FE, Sim J., Chang J., Im HG, Johansson B. (2018) Воспламенение от сжатия с однородным зарядом (HCCI) и частично предварительно смешанное сгорание (PPC) в двигателе с воспламенением от сжатия с низким бензин с октановым числом, Energy 158, 181–191. [CrossRef] [Google Scholar]
- Калгатги Г., Йоханссон Б. (2018) Подход с воспламенением от сжатия бензина (GCI) для эффективного, чистого и доступного двигателя будущего, Proc. Inst. Мех. Англ. Часть D: J. Automob. Англ. 232, 1, 118–138. [CrossRef] [Google Scholar]
- Калгатги Г.(2018) Неужели и двигателей внутреннего сгорания, и бензина на транспорте? Прил. Энергия 225, 965–974. [Google Scholar]
- Ван Л., Лоури Дж., Нгайле Г., Фанг Т. (2019) Распыление дизельного топлива под высоким давлением из пьезоэлектрического топливного инжектора, Прил.Therm. Англ. 15, 807–824. [Google Scholar]
- Морган Р., Бэнкс А., Олд А., Хейкал М. (2015) Преимущества высокого давления впрыска для будущих характеристик двигателя большой мощности, Технический документ SAE 2015–24-2441, DOI: 10.4271 / 2015-24-2441.[Google Scholar]
- Стэнтон Д. (2013) Систематическая разработка высокоэффективных и экологически чистых двигателей для соответствия будущим правилам выбросов парниковых газов в коммерческих транспортных средствах, SAE Int. J. Eng. 6, 3, 1395–1480. DOI: 10.4271 / 2013-01-2421. [CrossRef] [Google Scholar]
- Хуан В., Мун С., Гао Ю., Ван Дж., Одзава Д., Мацумото А. (2019) Влияние числа отверстий на динамику распыления дизельных форсунок с несколькими отверстиями: наблюдение для форсунок с тремя и девятью отверстиями, Exp. Therm. Fluid Sci. 102, 387–396. [CrossRef] [Google Scholar]
- Картикеян В.(2019) Влияние изменения геометрии чаши камеры сгорания на характеристики двигателя, характеристики сгорания и выбросов дизельного двигателя, работающего на биодизельном топливе, с его анализом энергии и эксергии, Energy 176, 830–852. [CrossRef] [Google Scholar]
- Паппула Б., Питчайпиллай П., Нараянан К.Г. (2019) Комбинированный эффект композитной присадки и модификации камеры сгорания для адаптации отработанного пластикового масла в качестве топлива для дизельного двигателя, J. Taiwan Inst. Chem. Англ. 97, 297–304. [Google Scholar]
- Рука., Дуань Ю., Ван К., Линь Х., Хуанг З. (2015) Экспериментальное исследование двухступенчатого впрыска смеси дизельного топлива и бензина в системе впрыска Common Rail, Fuel 159, 470–475. [CrossRef] [Google Scholar]
- Пайри Ф., Лухан Дж. М., Гвардиола К., Пла Б. (2014) Непростое будущее для двигателя внутреннего сгорания: новые технологии и роль управления, Oil Gas Sci. Technol. — Rev. IFP Energies nouvelles 70, 15–30. DOI: 10.2516 / ogst / 2014002. [CrossRef] [Google Scholar]
- Айодхья А., Нараянаппа К. (2018) Обзор систем последующей обработки для дизельных двигателей, Environ. Sci. Загрязнение. Res. 25, 1–4. DOI: 10.1007 / s11356-018-3487-8. [CrossRef] [Google Scholar]
- Exxonmobil, Перспективы энергетики: взгляд до 2040 г., https: // cdn.exxonmobil.com/~/media/global/files/outlook-for-energy/2017/2017-outlook-for-energy.pdf [дата обращения 31.1.2019]. [Google Scholar]
- США DOE. Центр данных по альтернативным видам топлива. (2019) Производство и распределение водорода, https://afdc.energy.gov / fuels / Hydrogen_production.html [дата обращения 31.1.2019]. [Google Scholar]
- США DOE. (2009) Потребность в энергии для сжатия и сжижения газообразного водорода в связи с потребностями в хранении транспортных средств, https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/9013_energy_requirements_for_hydrogen_gas_compression.pdf [дата обращения 31.01.209]. [Google Scholar]
- Ю-Кван О., Кюнг-Ран Х., Чангман К., Юнг Р.К., Джин-Сук Л. (2018) Последние разработки и ключевые препятствия на пути к передовым видам биотоплива: краткий обзор, Biresource Technol. 257, 320–333. [CrossRef] [Google Scholar]
- Альгрен Э., Хагберг М.Б., Гран М. (2017) Транспортное биотопливо в моделировании глобальной энергетики — обзор подходов к комплексной оценке энергетических систем, GCB Bioener. 9, 1168–1180. [CrossRef] [Google Scholar]
- Алалван Х.А., Альминшид А.Х., Альджаафари Х.А.С. (2019) Многообещающая эволюция производства биотоплива. Тематический обзор, Обновить. Energy Focus 28, 127–139. [CrossRef] [Google Scholar]
- Сикарвар В.С., Чжао М., Феннелл П.С., Шах Н., Энтони Э.Дж. (2017) Прогресс в производстве биотоплива путем газификации, Process Ener. Гореть. Sci. 61, 189–248. [CrossRef] [Google Scholar]
- Всемирный банк и партнеры GGFR раскрывают ценность отработанного газа, http: // web.worldbank.org/WBSITE/EXTERNAL/TOPICS/EXTSDNET/0,,contentMDK:22416844~menuPK:64885113~pagePK:64885161~piPK:64884432~theSitePK:5929282,00.html [дата обращения 29.1.209]. [Google Scholar]
- Мама Г. (2014) Эволюция автомобильных технологий: Справочник, SAE International.[CrossRef] [Google Scholar]
- Сафари М. (2018) Аккумуляторные электромобили: взгляд назад, чтобы двигаться вперед, Энергетическая политика 115, 54–65.[Google Scholar]
- Холл Д., Лютси Н. (2018) Влияние производства аккумуляторов на выбросы парниковых газов в течение всего жизненного цикла электромобилей, icct. Доступно на сайте www.theicct.org [дата обращения 15.04.2019]. [Google Scholar]
- Дитман С., Паулюк С., ван Вуурен Д.П., ван дер Воет Э., Туккер А. (2018) Сценарии роста спроса на металл в технологиях производства электроэнергии, автомобилях и электронных устройствах, Environ. Sci. Technol. 52, 4950–4959. [Google Scholar]
- Сабри М.Ф.М., Данапаласингам К.А., Рахмат М.Ф. (2016) Обзор архитектуры гибридных электромобилей и стратегий управления энергопотреблением, Renew. Sust. Energ. Ред. 53, 1433–1442. [CrossRef] [Google Scholar]
- Хуан Ю., Суаравски Н.С., Орган Б., Чжоу Дж.Л., Тан О.Х.Х., Чан Э.Ф.С. (2019) Расход топлива и выбросы при реальном вождении: сравнение гибридных и обычных транспортных средств, Sci. Total Environ. 659, 275–282. [PubMed] [Google Scholar]
- Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии.(2019) Типы топливных элементов, https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells [дата обращения 16.04.2019]. [Google Scholar]
- Танк Б., Арат Х.Т., Балтаджоглу Э., Айдын К. (2019) Обзор видения электромобилей на водородных топливных элементах на следующую четверть века, Inter.J. Hydrogen Ener. 44, 10120–10128. [CrossRef] [Google Scholar]
- Евростат интернетна страна.(2018) iskalne besede: поставка, преобразование и потребление электроэнергии и нефти, 5.10.2018. [Google Scholar]
- Евростат. (2018) Производство, потребление и обзор рынка электроэнергии. Статистические данные объяснены, Евростат. [Google Scholar]
- Ренн О., Маршалл Дж. П. (2016) Политика в отношении угля, ядерной энергии и возобновляемых источников энергии в Германии: с 1950-х годов до «Energiewende», Energy Policy 99, 224–232. [Google Scholar]
- Хейк Дж. Ф., Фишер В., Венгхаус С., Векенброк К. (2015) Немецкая энергия — история и статус-кво, Энергия 92, 532–546.DOI: 10.1016 / j.energy.2015.04.027. [CrossRef] [Google Scholar]
- JRC.(Июль 2013 г.) Анализ будущего автомобильного топлива и силовых агрегатов в европейском контексте от Well to Wheels, версия 4, Европейская комиссия, Объединенный исследовательский центр, Институт энергетики и транспорта. [Google Scholar]
- Имран Хан М.(2018) Сравнительное использование энергии между скважинами и резервуарами и оценка выбросов парниковых газов природного газа в качестве транспортного топлива в Пакистане, Ener. Поддерживать. Развивать. 43, 38–59. [CrossRef] [Google Scholar]
- Патил В., Шастры В., Химабинду М., Равикришна Р.В. (2016) Анализ жизненного цикла энергии и выбросов парниковых газов автомобильного топлива в Индии: Часть 2 — Анализ от скважины к колесам, Energy 96, 699–712. [CrossRef] [Google Scholar]
- Европейский Союз.(2016) Энергетические балансы 2016 DATA, Европейский Союз, Люксембург. ISBN 978-92-79-92826-0 ISSN 1830-7558. [Google Scholar]
- Евростат, http://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/submitViewTableAction.do [дата обращения 18.03.2019]. [Google Scholar]
- Евростат, https: // ec.europa.eu/eurostat/web/products-datasets/-/road_eqr_carpda [2.10.2018]. [Google Scholar]
- Евростат, http://appsso.eurostat.ec.europa.eu/nui/show.do?dataset=env_air_emis&lang=en [по состоянию на 28 марта 2019 г.]. [Google Scholar]
Все таблицы
Таблица 1 Структурапо видам топлива и структура пассажирских и грузовых EU транспортного сектора [4, 5, 12, 51, 53].
Таблица 2Энергопотребление в процессе нефтепереработки в EU .
Все рисунки
| Рис. 6 Сравнение потребления энергии в транспортном секторе и электроэнергии, доступной для конечного потребления в ЕС в 2016 году [44]. | |
| По тексту | |