Применение перспективных транспортных двигателей

Дизельные двигатели внутреннего сгорания. На ближайшую перспективу поршневые двигатели внутреннего сгорания останутся основным типом автомобильных двигателей, причем большое развитие должны получить дизельные двигатели внутреннего сгорания. Дизельные двигатели внутреннего сгорания начали широко применяться после второй мировой войны на грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Но в последние годы такие преимущества дизельного двигателя внутреннего сгорания, как меньший удельный расход топлива (на 30-35%) и более низкая токсичность отработавших газов, обусловили их широкое применение не только на грузовых автомобилях большой и средней грузоподъемности и автобусах, но и на легковых автомобилях. У многих массовых зарубежных моделей легковых автомобилей существуют модификации с дизельным двигателем внутреннего сгорания.

В дизельных двигателях внутреннего сгорания (в отличие от карбюраторных) в цилиндры поступает, а затем сжимается только чистый воздух, необходимый для обеспечения процесса горения топлива.

Топливо подается форсункой при подходе поршня в верхнюю мертвую точку. К этому времени давление в цилиндре достигает 3,5-5,5МПа, а температура - 500 - 600С. В этих условиях смесь топлива с воздухом самовоспламеняется.

Небольшое, по сравнению с карбюраторным двигателем внутреннего сгорания, содержание СО и CnHm в отработавших газах дизельного двигателя внутреннего сгорания объясняется особенностью его рабочего процесса. Для дизельного двигателя внутреннего сгорания обычно коэффициент избытка воздуха составляет 1,3-1,4; особенно сильно смесь обедняется при работе двигателя на холостом ходу. Максимальное содержание NOx в отработавших газах, как и у карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, соответствует наиболее экономичным режимам работы и объясняется высокими температурами в камере сгорания.

К недостаткам дизельного двигателя внутреннего сгорания с точки зрения токсичности отработавших газов относятся повышенное содержание сажи, соединений серы и неприятный запах отработавших газов. Большое содержание сажи связано с неоднородностью рабочей смеси, в результате чего распад (пиролиз) углеводородных соединений топлива сопровождается выделением чистого углерода. С отработавшими газами выносится только около 1% углерода, а большая его часть сгорает в двигателе. Более высокое содержание соединений серы объясняется тем, что в состав дизельного топлива входит до 1% серы, которая в процессе сгорания топлива окисляется до SO.

Отработавшие газы являются основным источником токсических веществ, выделяемых при работе дизельного двигателя внутреннего сгорания. С картерными газами и за счет испарений из топливной системы выделяется очень небольшое (в отличие от карбюраторного двигателя внутреннего сгорания) количество CnHm.

Работы по снижению токсичности отработавших газов дизельных двигателей внутреннего сгорания в основном сводятся к уменьшению выделения NOx и сажи. Добиваются этого как за счет совершенствования процессов смесеобразования и сгорания рабочей смеси, так и путем установки дополнительных устройств в системе выпуска, использования топлива с различными присадками, уменьшающими образование сажи.

Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В качестве возможной замены поршневого двигателя внутреннего сгорания было сконструировано и предложено большое количество роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания. Роторно-поршневой двигатель фактически опередил изобретение поршневого двигателя внутреннего сгорания, к 1910г. перечень роторно-поршневых двигателей насчитывал более 2000 моделей. Наиболее удачной конструкцией является в настоящее время двигатель, разработанный Ф.Ванкелем в 1954г., поэтому очень часто роторно-поршневые двигатели называют двигателями Ванкеля. В середине 60-х годов несколько фирм освоили серийное производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями. В СССР была выпущена опытная партия автомобилей ВАЗ-21018 с роторно-поршневыми двигателями мощностью 48кВт (70 л.с.).

Рабочий цикл роторно-поршневого двигателя имеет ту же последовательность процессов, что и поршневой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В корпусе специальной формы вращается ротор, который совершает планетарное движение относительно эксцентрикового вала, постоянно касаясь поверхности корпуса. При этом образуются три отдельные перемещающиеся камеры. Смесеобразование происходит в карбюраторе обычного типа, воспламеняется смесь от свечи зажигания.

Роторно-поршневые двигатели имеют ряд несомненных преимуществ по сравнению с поршневыми: меньший вес и размеры; компактность, что особенно важно при создании малолитражных автомобилей с передними ведущими колесами; способность работы на бензине с низким октановым числом. Его конструкция относительно проста: в роторно-поршневом двигателе всего две вращающиеся детали - ротор и вал; практически отсутствуют вибрации при работе. Роторно-поршневой двигатель высокооборотен и обладает большой удельной мощностью.

Однако роторно-поршневой двигатель уступает поршневому двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием по токсичности отработавших газов, особенно по содержанию CnHm. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, зона гашения пламени у роторно-поршневых двигателей больше, чем у поршневого двигателя внутреннего сгорания с такой же степенью сжатия. Во-вторых, основным источником повышенного содержания CnHm в отработавших газах роторно-поршневого двигателя являются утечки CnHm через уплотнения в выхлопную камеру. На малых оборотах масса несгоревшей смеси, просачивающейся в выхлопную камеру, может достигать 9% от общей массы рабочей смеси на впуске. С ростом числа оборотов масса просачивающейся смеси уменьшается. Помимо более высокого содержания CnHm в отработавших газах, к недостаткам роторно-поршневого двигателя можно отнести худшую топливную экономичность, меньший срок службы и необходимость применения ряда сложных уплотнений.

В то же время конструктивные особенности роторно-поршневого двигателя позволяют более эффективно применять устройства для уменьшения выделения CnHm с отработавшими газами. Высокая температура отработавших газов и небольшие размеры двигателя дают возможность использовать термический и окислительный каталитический нейтрализаторы, эффект от которых в данном случае выше чем у поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Роторно-поршневой двигатель остается наиболее перспективным в качестве силовой установки для легкового автомобиля.

Двигатель внутреннего сгорания с послойным смесеобразованием. Анализ влияния состава смеси на токсичность отработавших газов показывает, что уменьшение содержания токсичных компонентов в отработавших газах возможно либо при обогащении смеси, либо при обеднении. Но работа двигателя на обогащенной смеси приводит к большой концентрации в отработавших газах продуктов неполного сгорания, а при сильно обедненной смеси резко ухудшается работа двигателя внутреннего сгорания.

В результате многолетних исследовательских и опытно-конструкторских работ появился ряд схем поршневых двигателей внутреннего сгорания с послойным смесеобразованием. При послойном смесеобразовании обогащенная смесь находится только в зоне свечи зажигания, а остальная часть камеры сгорания заполнена обедненной смесью. Это создает благоприятные условия для начального воспламенения и обеспечивает работу на бедных смесях. Первоначально такие двигатели внутреннего сгорания разрабатывались для улучшения экономичности и возможности работы на разных сортах топлива, но работа двигателя внутреннего сгорания на бедных смесях позволила значительно понизить токсичность отработавших газов по сравнению с обычным двигателем.

Все схемы двигателя внутреннего сгорания с послойным смесеобразованием можно разделить на двигатели с открытой камерой сгорания и с разделенной камерой. Подробно рассмотрим только одну из разновидностей двигателя внутреннего сгорания с разделенной камерой - двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием.

Отдельный карбюратор через впускной коллектор и отдельный впускной клапан подают обогащенную смесь в форкамеру, в которой установлена свеча зажигания. В форкамере смесь воспламеняется. Этим создаются благоприятные условия для воспламенения бедной смеси в основной камере сгорания от факела сгорающей богатой смеси. Обедненная смесь подается к основному впускному клапану от отдельного карбюратора через свой впускной коллектор.

Конструктивно двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием несколько сложнее, чем обычный двигатель внутреннего сгорания, но токсичность его отработавших газов значительно ниже (например, выделение СО уменьшается в 2-2,5 раза). Уменьшается также на 8-10% расход топлива.

Разработан четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием, а также двигатель внутреннего сгорания с форкамерно-факельным зажиганием для автомобиля ЗИЛ-130. Однако перспективы применения этих двигателей внутреннего сгорания скорее связаны с легковыми автомобилями и грузовыми малой грузоподъемности. На всех автомобилях средней грузоподъемности целесообразнее применять дизельный двигатель внутреннего сгорания.

Автомобильные газотурбинные двигатели - относятся к двигателям с внешним подводом теплоты. Интерес к ним автомобилестроение проявляет давно. Но лишь в самое последнее время их появление на рынке стало реальностью. Слишком долго к автомобилю пытались приспособить уменьшенные модификации авиационных газовых турбин, упуская из вида почти все особенности автомобильных силовых установок и специфические требования к ним - многорежимность, небольшую стоимость, простоту обслуживания, сроки службы и многое другое. Практически не принималось во внимание и то очевидное обстоятельство, что во всех классах мощности газотурбинным двигателям противостоят прекрасно освоенные поршневые двигатели и для замены одних другими нужны весьма существенные выгоды.

Двигатели, способные удовлетворить этим требованиям, по своей тепломеханической схеме, параметрам, программам регулирования и конструкции оказались для газотурбостроения совершенно новыми. Широкий диапазон низких расходов топлива при использовании простых турбин и компрессоров удалось обеспечить только при помощи очень большой (0,85-0,9) степени регенерации теплоты отработавших газов: в этом случае допустимы невысокие степени повышения давления и, главное, относительно невысокая (~1270К) максимальная температура цикла. Ее увеличение до авиационного уровня (1470-1570 К) в автомобильных газотурбинных двигателях практически невозможно, так как высокотемпературные турбины с внутренним охлаждением очень дороги, а само такое охлаждение при небольших размерах турбинных лопаток малоэффективно.

Многорежимные компактные теплообменники, а также поворотные сопловые аппараты турбин, необходимые для реализации рациональных программ регулирования регенеративных двигателей, автомобильному газотрубостроению пришлось осваивать самостоятельно. Особенно трудной оказалась проблема теплообменников - они долгое время были практически неработоспособными. Решить ее полностью, особенно применительно к двигателям большой мощности (более 1000кВт), не удалось до сих пор, хотя за рубежом разработкой металлических и керамических теплообменников для автомобильных газотурбинных двигателей много лет занимаются крупные специальные фирмы. Одним из наиболее работоспособных является, по всей видимости, металлический вращающийся теплообменник Горьковского автозавода; его конструкция с самого начала была подчинена требованиям надежности и ресурса.

Применение теплообменника выявило целый ряд непредвиденных проблем. Выяснилось, что двигатель со встроенным теплообменником представляет собой мощный аккумулятор теплоты, существенно осложняющий работу многих узлов. Например, после остановки двигателя температура подшипников его ротора возрастает в течение 1,5-2 ч и, чтобы они не вышли из строя, через них необходимо 15-20мин прокачивать масло; нестационарные тепловые потоки на переходных режимах вызывают такое сильное коробление опор вращающегося теплообменника, что в нескольких конструкциях пришлось предусмотреть их жидкостное охлаждение.

В целом автомобильные газотурбинные двигатели оказались гораздо более сложными, чем это предполагалось ранее, и недостаточно надежными.

Принципиальная схема современного автомобильного газотурбинного двигателя показана ниже. Из реально выполненных схем к ней ближе всего две: двигатели GT-601 с пластинчатым теплообменником, изготовленного международным концерном ITI, и двигатели ГАЗ-903 с вращающимся теплообменником.

Схемы двигателей других фирм от показанной отличаются некоторыми элементами. К примеру, двигатели фирмы GMC имеют одноступенчатый центробежный компрессор и вращающийся керамический теплообменник; у двигателей фирмы «Вольво» тепломеханическая схема более сложная.

Все перечисленные автомобильные газотурбинные двигатели из обычных для газотурбостроения материалов и рассчитаны на грузовые автомобили, автобусы, сельскохозяйственные, дорожные и специальные машины. Их мощность - в пределах 200-600 кВт: при меньшей мощности заметно возрастает (из-за низких КПД малых турбомашин) расход топлива. Расширять названные пределы в сторону увеличения до освоения менее мощных двигателей за рубежом считают нецелесообразным, тем более, что как уже отмечалось выше, соответствующие теплообменники сделать еще не удалось. Кроме того, освоение двигателей средней мощности создает необходимую базу и для маломощных двигателей легковых автомобилей, выполненных на основе широкого использования керамики.

«Металлические» автомобильные газотурбинные двигатели рассматриваемого класса мощности разрабатывают многие фирмы («Дженерал моторс», «Вольво», ITI, MTU, ГАЗ). Пробег опытных газотурбинных автомобилей и автобусов с такими двигателями измеряется многими миллионами километров. Поэтому оценить их перспективы можно достаточно уверенно.

Электромобили являются самым радикальным средством борьбы за чистоту атмосферы, особенно в больших городах, так как они не выбрасывают в воздух токсичные выхлопные газы.

В настоящее время в мире эксплуатируются несколько десятков тысяч электромобилей (только в Англии их около 30тыс.). Видимо и в дальнейшем парк будет расти. Поэтому вопросы надежности таких автотранспортных средств, безусловно представляют значительный интерес для практики. Данные по надежности различных электромобилей, эксплуатирующихся в различных странах мира уже имеются, хотя их и не так много.

Например, американская электромобильная ассоциация провела опытную 26-месячную эксплуатацию 74 электромобилей. При этом было установлено, что средняя наработка на отказ (при среднем числе рабочих дней в месяце - 26) составила 136,2 дня, но 80% всех отказов зарегистрировано в первый год эксплуатации. Наработка на отказ для электромобилей с годовым пробегом до 3600км составила около 600км, а с пробегом более 3600км - 1800км.

Таблица 14