ДВС и альтернативы его развития (Николаев М. С.)

г. Перевоз

ГБПОУ «Перевозский строительный колледж»

Руководитель: М.С. Николаев, преподаватель.

Двигатель внутреннего сгорания и альтернатива его развития

В век инноваций и бурного развития технологий, когда прогресс идет семимильными шагами, мы, специалисты технического обслуживания и ремонта автотранспорта, должны быть в курсе новейших разработок в этой области, чтобы быть востребованными в современных рыночных условиях и не остаться за бортом автомобильной отрасли.

В настоящее время мировые автоконцерны ведут непрерывные разработки для усовершенствования характеристик и показателей автомобилей. Меня заинтересовали современные разработки в области двигателестроения, чему и посвящено данное исследование.

Цель моего исследования - сравнить две инновационные разработки современных двигателей внутреннего сгорания. Для достижения поставленной цели мною были определены следующие задачи:

• изучить теоретический материал по данному вопросу, включая историю развития двигателестроения;

• выделить наиболее перспективные разработки в этой области и сравнить их.

История двигателестроения начинается еще в XVII веке с голландского физика Кристиана Хагенса, которым был разработан теоретический двигатель, топливом для которого служил черный порох. В дальнейшем этим занимались многие ученые и изобретатели. Первый, кому удалось создать первый в мире работающий двигатель внутреннего сгорания был Нисефор Ньепс в 1806 году. В конце XIX- начале XX века происходит качественный скачок в развитии ДВС. В настоящее время мы можем наблюдать несколько основных типов автомобилей: дизельные, бензиновые, на альтернативных видах топлива, гибридые.

В данной работе не будем разбирать гибридные двигатели или альтернативные виды топлива, а приведем примеры развития именно двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине.

Рассмотрим два двигателя: первый, в работе которого происходит смена циклов работы с четырехтактного на двухтактный, в другом используется принцип детонационного сгорания топлива. Оба эти двигателя не требуют серьезных доработок и могут свободно применяться в серийном производстве в ближайшем будущем.

В настоящее время показатели экономии топлива и роста КПД в серийных ДВС составляют 4-5 %. Но изучив теоретический материал по инновациям в данной отрасли, мною были выявлены разработки двигателей, в которых эти показатели составляют 25-30 %. Это двигатель 2/4 Ricardo и детонационный (HCCI) двигатель.

Начнем с двигателя 2/4 Ricardo. Инженерам Ricardo и их партнерам удалось на базе серийного двигателя создать концептуальный, способный плавно переходить из четырехтактного режима работы в двухтактный. Двигатель запускается как четырехтактный, после выхода нагнетателей и прочих «энергопотребителей» на устойчивую работу, переводится на более эффективный - двухтактный. Причем переход не приводит к прерыванию крутящего момента и может производиться как на установившихся, так и в переходных режимах. В качестве основы для прототипа был использован один ряд серийного двигателя V6 рабочим объемом 2,1 л. Ожидается, что такой двигатель 2/4 Ricardo при шести цилиндрах по мощности, крутящему моменту и прочим характеристикам будет соответствовать бензиновому мотору V8 рабочим объемом 3-4 литра. Для эффективной работы фаз газораспределения была применена система электрогидравлического привода клапанов (EHV) и система подачи воздуха - двухступенчатая с промежуточным охлаждением.

В ходе тестов были разработаны и усовершенствованы принципы работы систем двигателя, обеспечивающие его устойчивую работу в двух- и четырехтактном режимах. Системы управления и гибкое управление клапанами позволили оптимизировать стратегию управления двигателем 2/4 Ricardo, включая режимы переключения. В результате при двухтактной работе двигателя крутящий момент составил 150 н/м при 2500 об/мин, что превосходит по своим характеристикам аналоги четырехтактного двигателя. Это означает, что экономия топлива по новому европейскому дорожному циклу составит 27%, а выбросы двуокиси углерода (СО2) снизятся с 260 до 190 г на 1 км пробега.

Параллельно с испытаниями в Великобритании инженеры Ricardo в Детройтском технологическом кампусе компании разработали и запатентовали механическую систему переключения, действующую по алгоритмам, отработанным с использованием системы электрогидравлического привода клапанов (EHV). Эта разработка не только позволяет использовать принципы работы 2/4 Ricardo на серийных двигателях при минимальной доработке последних, но и существенно удешевляет конструкцию, делая стоимость двигателя 2/4 Ricardo меньшей, чем у других сложных современных бензиновых и дизельных силовых установок. Причем все стандарты на выбросы будут соблюдены «с запасом».

Рассмотрим второй вид двигателя - детонационный. На Западе детонационный двигатель окрестили двигателем XXI века. Только в США над программой его создания работают даже ядерные центры с 70-х годов, и он там получил название HCCI - двигатель с самовоспламенением однородной топливной смеси.

Заставить исправный бензиновый двигатель работать в дизельном режиме невозможно. При степени сжатия 11-15 атмосфер образующегося тепла недостаточно для воспламенения смеси. Опытные автомобилисты знают, что мотор «дизелит» лишь тогда, когда в камере сгорания наличествуют какие-то перегретые объекты: большое количество нагара, электродиоды, неправильно подобранные свечи и т.п. Калильное зажигание не имеет ничего общего с дизельным процессом, как и зажигание электрическое, оставаясь принудительным. О самовоспламенении в этом случае речи не идет. При нормальной для дизеля степени сжатия 22 атмосферы и более бензин в цилиндре не сгорает, а взрывается. Процесс становится слишком «жестким» даже по дизельным меркам. Процесс HCCI предполагает, что до рабочей температуры двигатель разогревается как бензиновый, а необходимую для дизельного цикла теплоту получает, оставляя в цилиндре значительную часть отработавших газов. Для этого выпускной клапан закрывается значительно раньше обычного.

Для получения «гомогенной», то есть хорошо и равномерно перемешанной обедненной топливно-воздушной смеси форсунка (инжектор) располагается по центру камеры сгорания. Управление самовоспламенением осуществляется с учетом сигналов от датчиков давления, расположенных в каждом цилиндре. Процесс HCCI требует быстрой перенастройки фаз газораспределения и двух уровней высоты открытия клапанов.

Самое важное: процесс HCCI может быть осуществлен на серийном двигателе, подвергнутом относительно небольшим переделкам. Изменяется головка блока цилиндров, газораспределительный механизм и программа управления. Осуществление бензином дизельного воспламенения сулит экономию топлива в пределах 15% при значительном снижении выбросов.

Для холодного пуска и резких разгонов используется процесс Отто, при равномерном движении воздушно-топливная смесь самовоспламеняется в управляемом режиме. В обоих случаях используется трехступенчатый каталитический нейтрализатор. В отличие от дизельного двигателя, нейтрализации NOx (из-за низкого содержания окислов азота) не требуется. КПД двигателя HCCI приближается к показателям дизеля. Основная проблема, с которой столкнулись испытатели, - нестабильность внешних условий. Различные погодные условия (температура, атмосферное давление, влажность воздуха) и нестабильное (даже в пределах заводских допусков) качество бензина «сбивают» регулировки, затрудняя получение гомогенной смеси. Обычный бензиновый двигатель менее капризен. Но и HCCI по мере накопления опыта может стать «всеядным».

Подведем итоги:

1. В процессе эксплуатации современных двигателей встает вопрос об экологичности их использования. В своей работе я постарался показать, что есть возможность снизить не только экологичость, но при этом повысить экономичность двигателя, не прибегая к серьезным изменениям в конструкции двигателя.

2. На сегодняшний момент в автомобилестроении могут быть применены не только альтернативные виды топлива и «гибриды», но и усовершенствованные уже существующие бензиновые двигатели.

Приведу пример заинтересованности ведущими автоконцернами внедрения данных видов двигателя в серийное производство. В России инженер-любитель из Ахтырска в гаражных условиях переделал серийный дизельный двигатель Д-21 в HCCI мотор, получив на него патент. Но к сожалению, отечественные автопроизводители не заинтересовались его разработкой, хотя зарубежные автогиганты предлагали ему выкупить патент на данное изобретение.

Библиографический список

1. it-day.ru/technics/65-dvs.html

2. 5koleso.ru

3. autopeople.ru

4. ru.wikipedia.org

5. elpractice.ru/articles/44