Методи пiдвищення ефективностi роботи автомобiльних двигунів

5.2. Методи пiдвищення ефективностi роботи автомобiльних двигунів

Необхiднiсть захисту довкiлля вiд забруднення вiдпрацьованими газами i вимоги паливної економiчностi поставили перед конструкторами транспортних засобiв проблему пошуку прогресивних рiшень щодо конструкцiї i принципу роботи автомобiльних двигунiв. Одним з подiбних напрямкiв є розробка перспективних двигунiв для майбутнього автомобiльного транспорту [71].

В якостi альтернативи карбюраторному двигуну, з’явились дизель, роторний двигун, газова турбiна, парова поршнева машина, парова турбiна, двигун “зовнiшнього” згорання (Стирлінга), iнерцiйний двигун i деякi iншi.

Дизельний двигун. Вважається, що в боротьбi за зменшення забруднення повiтряного басейну дизельнi двигуни можуть зiграти iстотну роль. Дизель, так само як i карбюраторний двигун, вiдноситься до класу двигунiв внутрiшнього згоряння, але вiдрiзняється вiд нього значно вищими ступенями стиснення, що забезпечує самозаймання палива. Зважаючи на це, вiдпадає потреба в системах електричного запалення; замiсть карбюратора використовуються паливнi форсунки, завдяки яким пiд великим тиском здiйснюється впорскування палива у цилiндри.

Роторний двигун, як i карбюраторний, працює на бензинi, але має принципово іншу конструкцiю основного силового агрегату. У двигунi даного типу вiдсутнi цилiндри i шатунно-кривошипна група. Замiсть поршнiв, що виконують зворотно - поступальний рух, двигун має ротор.

Не вдаючись у деталi конструкцiйних i технiко - економiчних характеристик цього двигуна (менша маса, компактнiсть, висока обертовiсть, велика питома потужнсть, простота виробництва, відсутнiсть вiбрацiй, здатнiсть працювати на паливi з низьким октановим числом тощо), відзначимо, що вiн дає дещо менш токсичний викид у результатi меншого змiсту оксидiв азоту.

Давно запатентований нiмецьким механiком Ванкелем роторний двигун протягом багатьох рокiв допрацьовувався у Нiмеччинi, де у 1964 роцi було розпочато його невелике серiйне виробництво. Японськi промисловцi, якi придбали лiцензiю на двигун Ванкеля, витратили деякий час на його вдосконалення i в серединi 60-х рокiв створили працездатну конструкцiю. В 1967 роцi фiрма “Тойо Когiо” почала серiйний випуск автомобiлiв “Мацуда” з роторним двигуном i до 1980 року випустила мiльйон таких автомобiлв. 3 1970 року автомобiлi з роторними двигунами почали випускатися фiрмою “Сiтроєн” у Францiї. Концерн “Дженерал моторс”, який перекупив лiцензiю у Японiї, також проводив роботи над удосконаленням двигуна Ванкеля, проте дещо пiзнiше американцi вiдмовилися вiд продовження робiт.

У зв’язку з енергетичною кризою, виробництво автомобiлiв з роторними двигунами не одержало великого розвитку, за винятком вищезгадано японської фірми, яка вклала в дослiдження i органiзацiю виробництва цих двигунiв великi капiтали i яка продовжує їх випуск, одночасно вдосконалюючи конструкцію [71].

Подальше поширення роторного двигуна стримує його головний недолiк - менша економiчнiсть в порiвняннi з традицiйним поршневим.

Газотурбiнний двигун. Протягом останнiх рокiв проводяться дослiдження та експериментальне конструювання газотурбiнних двигунiв для автомобiлiв. Газовi турбiни, як вiдомо, широко застосовуються у повiтряному транспортi. Вони характеризуються малою масою, рекордною питомою потужнiстю, компактнiстю, малою кiлькiстю рухомих частин, плавнiстю роботи та iншими якостями.

Багато конструкторiв вважають газову турбiну бiльш перспективною для важких вантажних автомобiлiв i автобусiв, хоча є випадки створення також i легкових автомобiлiв. Так, ще на виставцi 1969 року в Чiкаго фiрма “Шевроле” демонструвала легковий автомобiль “Астра-111” з газотурбiнним двигуном потужнiстю 230 кВт при масi турбiни 70 кг.

У 70-х роках компанiя “Вiльямс” (США) розробила газову турбiну для масового легкового автомобiля потужнiстю 60 кВт. До переваг цього двигуна слiд вiднести вiдсутнiсть вiбрацiї, низький рiвень шуму, мож.ливiсть роботи без системи водяного охолодження i достатньо чистi вiдпрацьованi гази. Тоді ж було опублiковано прогнози, згiдно з якими в США у 1980 роцi намiчався випуск 50 тис. автомобiлiв, обладнаних такими двигунами. Проте цi сподiвання не виправдалися — основна причина цього полягає в меншiй економiчностi газових турбiн у порiвняннi з карбюраторним двигуном, а особливо - з дизелем.

Недостатнiй ККД газової турбiни пов’язаний з вiдносно невисокою температурою робочого процесу. Пiдвищення цiєї температури вимагає застосування дорогих жаромiцних металiв i складних конструкцiй турбiнних лопаток. Великий iнтерес становили випробування в Швецiї експериментального автомобiля з газовою турбiною, в конструкцiї якої використано жаромiцну керамiку, однак на даний час газотурбінний двигун ще залишається складним по конструкцiї i дорогим [71].

Паровий двигун. Вимога збереження в чистотi повiтряного басейну змусила деяких конструкторiв знову повернутися до майже забутої iдеї створення парового автомобiля, що з’явився у Францiї та рядi iнших країн бiльш нiж 100 рокiв тому. Тихохiднi, але працездатнi паровi “омнiбуси” в Парижi їздили ще у 1873 роцi. Тодi ж було створено i легковi автомобiлi з паровими двигунами. Один екземпляр такого чотиримiсного автомобiля, побудованого французькою фiрмою “Жардне-Серполле”, можна бачити зараз в Нацiональному музеї в Празi. Парова машина, розмiщена пiд пiдлогою автомобiля, дозволяла йому розвивати швидкiсть 65 км/год. Паровi автомобiлi продовжували випускатися i працювати впродовж довгого часу навiть після створення двигуна внутрiшнього згоряння i були остаточно знятi з виробництва на початку 30-х рокiв.

У США, Японiї, Австралiї та деяких європейських країнах зробленi спроби створення зразків сучасних парових автомобiлiв рiзних категорiй. Їх конструкцiя включає водотрубний парогенератор, двигун — парову машину високого тиску, допомiжну машину низького тиску (для приведення в дiю водяного насоса i вентилятора радiатора) i допомiжне устаткування. Пiсля запуску автомобiль готовий до руху вже через 30—45 с, оскiльки пара готується малими порцiями. На одному з автомобiлiв марки “Понтiак”, переобладнаного на паромобiль, пара має тиск 5,6 МПа (56 кг/см²) i температуру 370°С. Чотирицилiндровий автомобiль розвиває швидкiсть до 160 км/год.

У США випущено чотирицилiндровий автобус мали мiсткостi з паросиловою установкою. Вiн розвиває потужнiсть 50 кВт при 1000 об/хв (максимальний режим 2000 об/хв). Максимальна швидксть становить 106 км/год. Витрата палива — 21,3 л на 100 км пробiгу [71].

У Австралiї побачив свiт паровий вантажний автомобiль вантажопiдйомнiстю 5 т для руху зi швидкiстю 88 км/год. Час на пуск складає 2 хв 15 с. Паливом є гас. Витрата води на 100 км — 13 л.

Там же було сконструйовано експериментальний легковий автомобiль з паросиловою установкою. Парогенератор (котел) вмiщає лише 2,2 л води i забезпечує пiдготовку пари для руху через 45 с пiсля вмикання. Основний запас води мiститься в окремому баку мiсткiстю 22,7 л. Робочий тиск пари складає 1,4—8,5 МПа (14—85 кг/см2). Двоцилiндрова парова машина при 4000 об/хв розвиває потужнiсть 33 кВт. Автомобiль може розвивати швидкiсть до 152 км/год. Витрата палива (гасу або спирту) скяадає 9,5—11, 3 л на 100 км пробiгу. Маса силової установки 158 кг.

Паралельно з випуском малогабаритних поршневих автомобiлiв, зроблено спроби використання в якостi двигуна парової турбiни. Створено, зокрема, парову турбiну потужнiстю 60 кВт для легкового автомобiля.

У США проводилося випробування парової турбiни з одним колесом дiаметром 140 мм на автобусi. При тиску пари 63,3 кГ/см²i температурi 510°С турбiна розвивала потужнiсть 160 кВт при 60 тис. об/хв.

Сам по собi паровий двигун екологiчно абсолютно чистий. Вiн або дає викид водяної пари, або не дає нiякого. Якщо робочий цикл замкнений, вiдпрацьована пара конденсується i потiм, у виглядi живильної води, знову поступає в котел. Однак атмосфера забруднюється вiдпрацьованими газами пальника котла.

Двигун Стирлiнга. Останнiм часом, при пошуцi перспективних технiчних рiшень, вiдродився iнтерес до двигуна зовнiшнього згоряння, iдею якого запропонував Р.Стирлiнг ще у 1816 роцi. Використавши цю iдею, iнженери голландської фiрми “Фiлiпс” пiсля 20 рокiв працi створили цiлком працездатну конструкцiю такого двигуна.

Повiтрянi двигуни досить широко застосовувалися в ХIХ та на початку ХХ сторiччя в шахтах, на пiднiманнi води, в друкарнях, в якостi суднових машин та у рядi iнших областей. Принцип дії таких двигунiв був простим: дно великого цилiндра з поршнем нагрiвалося пальником, нагрiте повiтря пiднiмало поршень, виконуючи корисну роботу, а пiсля випуску теплого повiтря поршень опускався в початкове положення. Чергова порцiя нагрiтого повiтря знову пiднiмала його [71].

Сучасний двигун зовнiшнього згоряння є герметично закритим цилiндром, заповненим над поршнем стислим гелiєм або воднем. У процесi згоряння палива газ через стiнку цилiндра нагрiвається i опускає поршень. Вiдпрацьований газ прямує в камеру охолоджування, а поршень повертається в початкове положення. Пiсля цього порцiя холодного газу надходить у камеру розширення (над поршнем) для нагрiвання i робочого ходу.

Двигун зовнiшнього згоряння може працювати на будь-якому паливi i дає мiнiмальне забруднення повiтря оксидами вуглецю i вуглеводнями, оскiльки пальник працює в стабiльному режимi з оптимальним спiввiдношенням палива і повiтря. Вiн є практично безшумним.

Вважають, що при використаннi тепла, наприклад, розплавленого лiтiю, такий двигун може взагалi обходитися без пального, що є важливим i реальним при роботi в межах мiста. Фiрма “Фiлiпс” розробила акумулятори тепла енергоємнiстю до 23 кВт-год. На даний час побудовано досить багато дослiдних зразкiв двигуна Стирлiнга потужнiстю вiд 7 до 265 кВт, призначених для автомобiлiв, автобусiв, суден, а також стацiонарних.

До важких i ще не повнiстю розв’язаних проблем вiдносяться складнiсть конструкцiї i необхiднiсть забезпечення протягом термiну експлуатацiї двигуна повної герметичностi для збереження робочого тiла (гелiю або водню). Проблемою є також висока вартiсть двигуна. Тому двигун Стирлiнга поки що не може конкурувати з двигунами внутрiшнього згоряння.

Iнерцiйний двигун (Маховик) є найдавнiшим типом двигуна. Гончарний круг, вiк якого становить бiльше 5 тисяч рокiв, по сутi є маховиком.

Ідея використання кiнетичної енергiї маховика для руху машини не є новою, проте реалiзацiю вона одержала лише в серединi ХХ столiття, коли у Швейцарiї було випущено 17 мiських автобусiв, що приводилися в рух саме за допомогою iнерцiйних двигунiв — так званих жиробусiв (гiробусiв). Жиробуси експлуатувалися протягом 16 рокiв [71].

Основу двигуна на цих машинах становив маховик масою 1,5 т (10% вiд маси жиробуса), який перед початком руху протягом 25 хвилин розкручувався електродвигуном до 3000 об/хв i “запасав” 9 кВт-год енергiї. Пiсля розкручування оборотний електродвигун, сполучений з маховиком, працював вже як динамо - машина i живив тяговi двигуни жиробуса, який внаслiдок цього мiг розвивати швидкiсть до 50 км/год i проходити шлях до наступного заряджання (розкручування) до 5 км. Фактично швидкiсть жиробуса складала 20—25 км/год. На шляху 2,5 км вiн витрачав 60% запасу енергнi i вимагав зарядки. Тому заряднi пристрої розмiщувалися через 1,0—1,2 км, що вiдповiдало i вимогам розмiщення зупинок для пасажирiв. Великою перевагою маховика є його екологiчна чистота, вiдсутнiсть токсичних викидiв i шуму, а також високий ККД.

Найголовнiшим недолiком даного двигуна слiд визнати його малу енергоємнiсть, і , як наслiдок, незначний пробiг мiж заряджаннями. Проте дослiдження i експерименти над ним продовжуються. В США, наприклад, спроектовано супермаховик масою 100 кг, який, згiдно з розрахунками, при 30 000 об/хв може забезпечити пробiг легковому автомобiлю 160 км. Хоча реалiзацiя такого проекту принципово можлива, слiд вирiшити чимало складних науково-технiчних задач i визначити економiчну доцiльнiсть його масового впровадження [71].

Оригiнальний легковий автомобiль розроблено i випущено наприкiнцi 70-х рокiв в США. Ця машина є шестимiсною з економiчним двигуном потужнiстю 44 кВт. У багажнику змонтовано важкий сталевий маховик дiаметром 950 мм масою 231 кг. Обертаючись на магнiтних пiдшипниках у вакуумi, маховик при 15000 об/хв розвиває потужнiсть 100 кВт. Через електрогенератор ця потужнiсть передається тяговому електродвигуну, а потiм — на ведучi переднi колеса. Початкове розкручування маховика вiдбувається за рахунок зовнiшньої електромережi. Цей автомобiль може працювати в наступних режимах: як звичайний — на двигунi внутрiшнього згоряння при зупиненому маховику, i як електромобiль вiд маховика, що забезпечус запас ходу 36 км при швидкостi 48 км/год; можливий також варiант i сумiсної роботи машини в обох режимах: у межах населених пунктiв водiй може використовувати тiльки енергiю маховика, а за їх межами — економiчний двигун внутрiшнього згоряння, рiзко пiдвищуючи потужнiсть силової установки за рахунок пiдключення енергiї маховика при короткочаснiй необхiдностi прискорити розгiн або пiдняти швидкiсть руху на крутому пiдйомi, при обгонi i в iнших ситуацiях до 151 км/год.

Незважаючи на такий досить строкатий за принципом дiї асортимент альтернативних автомобiльних двигунiв, не слiд забувати, що переважна бiльшiсть свiтового автопарку укомплектована бензиновими двигунами i одним з напрямкiв подальшого підвищення ефективностi їх роботи є пошук шляхiв модернiзацiї. На даний час дослiдницькi i практичнi роботи із удосконалення iснуючих двигунiв проводяться за наступними основними напрямами: полiпшення системи запалення, змiна процесiв подачi палива в цилiндри двигунiв, влаштування додаткових приладiв, що зменшують вміст шкiдливих компонентiв у вiдпрацьованих газах.

Система запалення чинить істотний вплив на процеси згоряння палива.

Безконтактне електронне запалення забезпечує бiльш потужний розряд на свiчах i вiдрiзняеться бiльшою стабльнiстю роботи. Останнiм часом система електронного запалення набуває все бiльшого поширення. На деяких новiтнiх моделях зарубiжних автомобiлiв ця система доповнюється мiкро-ЕОМ, що автоматично змiнює момент випередження запалення сумiшi залежно вiд навантаження на двигун i швидкостi руху, оптимiзує витрату палива i склад вiдпрацьованих газiв.

Для полiпшення процесу згоряння палива у цилiндрах широко застосовується так зване форкамерне, або факельне, запалення. Сутнiсть його полягає в тому, що у малiй форкамерi збагачена сумiш пiдпалюється електричною iскрою, а потужний факел полум’я, що утворюється при цьому, запалює основну частину бiльш бiдної робочої сумiшi в цилiндрi, чим призводить до iнтенсивнiшого згоряння палива. Такi двигуни дозволяють зменшити викид всiх токсичних компонентiв, включаючи оксиди азоту, i досягати при цьому 10% економiї палива [71].

Змiна процесiв подачi палива в цилiндри досягасться кiлькома способами. Перший з них — це спроба влаштування на двигунi двох карбюраторiв замiсть одного. Вище наголошувалося що при роботi двигуна у режимi холостого ходу вмiст токсичних речовин у викидi збiльшується. Задля зменшення їх кiлькостi при роботi двигуна потрiбно вiдрегулювати карбюратор на збiднену або бiдну сумiш (1 частина бензину приблизно на 20 частин повiтря), але тодi двигун не розвиватиме необхдної потужності при роботi з навантаженням i не забезпечить належної тяги i швидкостi. Вихiд з цього положення дає встановлення другого карбюратора, який регулюється на нормальну сумiш (1 частина палива на 15 частин повiтря) i живить двигун на робочих режимах. Пiзнiше були розробленi новi, складнiшi конструкцiї карбюраторiв, здатних в одному блоці сумiщати вказанi функцiї i готувати необхiдний склад робочої сумiшi на будь-який режим роботи двигуна.

Другий спосiб полягає у змiнi клапанного механiзму з метою бiльш тонкого розпилювання i кращого перемiшування сумiшi пiд час надходження її до цилiндрiв. У рядi нових конструкцiй передбачається регулювання висоти пiдйому клапанiв впуску залежно вiд навантаження, що покращує процес заповнення цилiндрiв сумiшшю i згоряння.

Третiй спосiб — це вiдмова вiд традицiйного карбюратора i замiна його приладами (форсунками) для безпосереднього впорскування палива в трубопровiд впускання або в цилiндри. Ця система , вперше застосована в 1934 р. на спортивних автомобiлях, забезпечує найкраще розпилювання палива i перемiшування його з повітрям, а також рiвномiрний розподiл сумішi по окремих цилiндрах. При цьому способi не спостерiгається осiдання палива у виглядi крапель на стiнках трубопроводу впускання.

Система безпосереднього впорскування особливо ефективна в поєднаннi з електронним керуванням, яке автоматично дозує паливо залежно вiд режиму роботи двигуна. Встановлено не тiльки зниження токсичностi газiв i економiю палива, але пiдвищення потужностi двигунiв на 10—20% [71].

Деякi пристрої впорскування дозволяють утворювати в зонi запалювальної свiчки легко запалювану вiд iскри збагачену сумiш. Таке пошарове сумiшеутворення забезпечує надійну роботу двигуна при результуючiй збiдненiй сумiшi. Вказане пошарове роздiлення одержують рiзними конструкцiйними рiшеннями, але найчастiше застосовується направлене впорскування палива в камеру згоряння. Система знаходить широке застосування на нових автомобiлях.

Методи знешкодження вiдпрацьованих газiв почали розроблятися ще в 30-х роках, але у практичний вжиток нейтралiзатори надiйшли лише 30 рокiв по тому.

Нейтралiзатор — це невеликий прилад, призначений для зниження токсичностi вiдпрацьованих газiв шляхом допалювання продуктів неповного згоряння i розкладання оксидiв азоту на складовi елементи — азот i кисень.

Спочатку вважалося, що такi прилади мають бути дешевими i простими у виготовленнi та експлуатацiї. У Калiфорнiї (США) в 1959 роцi було навiть прийнято штатний закон, що встановлював термiни комплектацiї всiх дiючих автомобiлiв цими приладами. Подiбнi пропозицiї пiзнiше розроблялись i у рядi iнших штатiв США, а також у деяких країнах Європи, проте їх реалiзацiя виявилася непростою й iстотно пiдвищила вартiсть автомобiлiв та експлуатацiйнi витрати.

Розрiзняють два типи нейтралiзаторiв: термiчнi та каталітичнi.

У термореакторi, встановлюваному за випускним трубопроводом, здiйснюється процес допалювання оксиду вуглецю СО i перетворення його на вуглекислий газ СО² а також спалювання незгорiлих у цилiндрi вуглеводнiв i альдегiдiв. для iнтенсифiкацiї процесу допалювання, в камеру термореактора подається додаткове повiтря. Реакцiя окислення проходить при температурi 500—600°С i знижує наявнiсть вуглеводнiв приблизно в 2 рази, а оксидів вуглецю в 2—З рази.

На нових автомобiлях термореактори стали вмонтовувати у випускну систему двигуна з відповiдними змiнами в цiй частинi конструкцій двигуна. Каталiтичнi нейтралiзатори, крiм окислення С i СН, можуть здiйснювати ще i розкладання оксидiв азоту NО_х [71].

Процес окислення С i СН є безполуменевим i протiкає при проходженнi вiдпрацьованих газiв через шар носiя (наприклад, керамiчних гранул) каталiзатора. Найкращим каталiзатором виявилася платина, але цей дорогий i дефiцитний матерiал не може широко застосовуватися. Дослiдженнями встановлено, що платину певним чином можуть замiнити паладiй, радiй, рутенiй, а також оксиди мiдi, хрому, нiкелю, дiоксид марганцю тощо.

Ефективнiсть дiї каталiтичного нейтралiзатора iстотно залежить вiд температури в реакторi. Низькотемпературнi реактори працюють при 100—300°С, а високотемпературнi — при 300—600°С i бiльше. На перших моделях вiд високої температури корпус реактора досить швидко прогоряв i вимагав замiни. Пiзнiше дефект було усунено цiною ускладнення i дорожчання реактора.

Роботи зi створення нових типiв i конструкцiй нейтралiзаторiв продовжуються у багатьох країнах, але вимоги надiйностi i довговiчностi привели поки лише до ускладнення подiбних приладiв.

Ще один з варiантiв полягає у зниженнi токсичностi вiдпрацьованих газiв у результатi їх рециркуляцiї, тобто повторного засмоктування в цилiндри (разом з порцiєю нової горючої сумiшi) з метою допалювання С i СН i зниження кiлькостi оксидiв азоту безпосередньо в цилiндрах двигуна. Однак використання даного процесу веде до деякого погiршення характеристик двигуна, якщо навiть вже не вести мову про ускладнення його конструкцiї.

Похожие работы

Екологічний вплив міського транспорту на навколишнє середовище

Скачать

34177

1

1

... рівень функціонування — неодмінні умови життя сучасного міста і його населення. Однак настільки ж очевидно, що саме діяльність міського транспорту, в тому числі пасажирського, може бути визнана одним з основних факторів негативного впливу на стан середовища існування в містах, особливо великих. Необхідна комплексна оцінка функціонування міських транспортних систем, їхньої екологічної чистоти, ...