Новые двигатели внутреннего сгорания

Что будет с ДВС: 3 сценария и особый путь России

Похоже, весть о введении в 2025 году нового стандарта выбросов Евро‑7 поразила Европу сильнее, чем легализация наркотиков и однополых браков.

Все издания процитировали главу Немецкой ассоциации автомобильной промышленности (VDA) Хильдегарду Мюллер:

Нормы Евро‑7 как таковые пока не оглашены. Ожидают, что главное изменение — снижение выбросов оксидов азота (NOx) до 30 мг/км! Это вдвое жестче, чем по нормам Евро‑6: для дизелей — 80 мг/км, для бензиновых моторов — 60 мг/км. И это труднодостижимо — прежде всего, для дизелей. Сейчас в дизельных моторах с оксидами азота сражается сложная и дорогая система впрыска водного раствора мочевины. Кроме того, выбросы не должны будут выходить за обозначенные рамки при температурах от —10 до +40˚ С и на протяжении 15 лет или 240 тысяч километров пробега.

Один из самых распространенных биологических механизмов — молнии. Каждая молния преобразует 7 кг азота в оксид азота, за год таким образом получается 8,6 млн т. Это почти в три раза больше, чем попадает в атмосферу из-за автомобильного транспорта в ЕС.

Нормы Евро‑7 подразумевают прекращение выпуска и продаж машин стандарта Евро‑6 во всех странах Евросоюза. Бензиновые моторы вполне могут выдержать требования Евро‑7, но у дизелей дела плохи. Так что г‑жа Мюллер права лишь отчасти — и возможны несколько вариантов.

Первый сценарий будущего: жесткий

Проблема не в том, что невозможно создать ДВС, отвечающие нормам Евро‑7. Машина с таким двигателем выйдет слишком дорогой. Поэтому с 2025 года все европейские компании выпускают только электромобили. И водородомобили для тех, кому не хочется стоять на зарядных станциях по часу. Сегодняшние машины на водородном топливе могут преодолевать 500–700 км. Правда, у них есть сложности с пуском при минусовых температурах.

Производственные трудности невелики, в линейке большинства мировых фирм уже есть электромобили и целые платформы для будущих электрокаров. Еще одну — Electric-Global Modular Platform — в конце прошлого года представил Hyundai. Volkswagen и без Евро‑7 давно заявил, что к 2026 году завершит работу с ДВС. А Mercedes-Benz год назад рапортовал, что ДВС нового поколения не планирует и сосредоточится на электротяге.

Стимулирующие покупателей электромобилей льготы и поблажки, которые кое-где сейчас действуют, к тому моменту отменят. Раньше надо было суетиться! Стимулировать, скорее всего, начнут скорейший отказ от ДВС — налогами. По­этому европейцы постараются не тянуть с заменой старенького зловонного Фиата или Ситроена.

Непростой задачей поначалу станет обслуживание электромобилей. Великобритания, например, сейчас столкнулась с тем, что только один из двадцати механиков обучен для работы с таким транспортом.

ЧЕЙ КЛАСС ЛУЧШЕ

Российские нормы содержания вредных веществ в выбросах автомобилей узаконены в ТР «О безопасности колесных транспортных средств» (единый норматив для стран-членов ЕАЭС). Все наши экологические классы с первого по шестой — отсылки к Правилам ООН. В России пятый класс действует с 1 января 2016 года. А в Евросоюзе годом ранее вступил в силу Евро‑6.

Что касается топлива, то российские экологические классы для бензина и солярки оговорены в отдельном техническом регламенте (ТР 013/2011) и ГОСТах «Топлива моторные. Бензин неэтилированный» и «Топливо дизельное ЕВРО». Ссылок на Правила ООН здесь нет, и наши топлива по ряду параметров незначительно отличаются от европейских. Экологические же классы (К2, К3, К4, К5) различаются исключительно по содержанию серы. Понятия К6 в наших документах пока нет. Роснефть больше года выпускает ­и продает бензин марки «Евро‑6» с улучшенными экологическими свойствами, но в документации он обозначен как АИ‑95‑К5.

Второй сценарий будущего: мягкий

Производители, сознавая, что на электромобилях весь бизнес не вытянешь, разрабатывают инновационные ДВС. По примеру Мазды, только что показавшей прототипы новой линейки. Появятся новые автоматические коробки передач всех типов. У механики будущего нет — она портит выхлоп.

При сохранении массового производства стоимость новых моторов выйдет приемлемой. Число моделей с ДВС сильно уменьшится, но они и после 2025 года как минимум в форме гибридов останутся в строю наравне с электрическими. Разница в цене исчезнет, а в рекламе прозвучит: «Только машины с ДВС позволяют ехать 1000 км без остановки!»

Вообще, в Евросоюзе продают всего 17,5% новых машин, выпускаемых в мире. Меньше чем в США, меньше чем в Китае. А в большинстве стран еще долго будут царить местные экологические нормы. Так что заводы в Бразилии, Мексике, Индии, Турции и России продолжат миллионами выпускать привычные автомобили. Да и в США с Китаем, скорее всего, тоже.

КОРОТКОБОЙЩИКИ

Производители грузовиков реагируют на Евро‑7 спокойно. В декабре 2020 года Daimler Trucks, Scania, MAN, Volvo AB, DAF, Iveco и Ford Trucks подписали соглашение о прекращении продаж траков с ДВС… лишь в 2040 году. Хотя многие компании давно продают электрические и водородные грузовики, в том числе магистральные.

В большинстве стран мира быстрый отказ от грузовиков с ДВС невозможен. Сегодня немецкий перевозчик на водороде или электротяге не доберется до Челябинска. Да и до Греции, пожалуй, тоже. Сети соответствующих заправок развиты неравномерно даже в Евросоюзе.

Главные препятствия продвижения водородных грузовиков: дороговизна машин и топлива, низкий ресурс узлов, сложности с перевозкой водорода и его хранением. Даже у лучших электрических образцов мал запас хода — 300–400 км (у камазовского грузовика Moskva — 200 км). Быстрая зарядка занимает час-полтора, медленная — до десяти часов. Заявленные показатели инновационного тягача Tesla Semi (на иллюстрации) намного выше (500–960 км, зарядка до 80% на специальной станции — за полчаса), но почему-то начало его продаж откладывалось уже три раза.

Транспортный сектор обеспечивает примерно 20% от глобального объема выбросов углекислого газа (8 млрд т в год).

Среди всех видов транспорта наибольшую экологическую нагрузку дают автомобили: 30% — грузовые, 45% — пассажирские (включая автобусы и мотоциклы). Для сравнения, на пассажирские и грузовые авиаперевозки приходится менее 12% выбросов, на морские перевозки — 11%, а на железнодорожный транспорт и вовсе 1%

Выбросы взвешенных частиц не только и не столько зависят от типа двигателя и экологического стандарта топлива, сколько от общего состояния автомобиля и дорожной инфраструктуры.

По данным исследований, проведенных в Великобритании и России, на отработавшие газы приходится только 28% выбросов, 7% — на тормозную систему, 12% — на износ шин, а больше всего — 53% — на износ дорожного покрытия

Сценарий российский, реалистичный

Весной 2031 года мэр Москвы торжественно откроет тысячную зарядную станцию в столице. «За десять лет продажи электромобилей в России выросли в десять раз и составили 3530 штук!» — скажет мэр, умолчав о том, что четверть станций в данный момент неработоспособна, а во всей остальной России таких заправок меньше сотни. Затем все сядут на выпущенные в Подмосковье Мерседесы S‑класса с бензиновыми моторами — и разъедутся.

Зимой электромобили с севшими батареями десятками беспомощно стоят в тоннелях и на эстакадах, ожидая мобильную техпомощь (с дизельными генераторами) и усугубляя пробки. Их замерзающих владельцев весело троллят водители Солярисов и Ларгусов.

А если серьезно, то всего год назад приняты поправки в Приложение 1 Технического регламента Евразийского экономического союза, оговаривающие существование в России шестого экологического класса. До того в странах ЕАЭС предусматривали только пять экологических классов, и стало невозможно выдавать ПТС для транспортных средств «с выхлопом Евро‑6», поступающих в продажу. Появление шестого класса не предполагает новых ограничений для машин, продаваемых у нас, или новых требований к топливу — это всего лишь констатация факта, что такие автомобили существуют в природе.

И Евро‑7 в обозримом будущем нам ничем не грозит, поскольку мы движемся с отставанием от Европы на 10–15 лет. Примерно до 2040 года можно не беспокоиться об установке индивидуальной розетки во дворе. И надо крепко подумать, стоит ли нам вообще гнаться за Европой: применительно к Мурманску или Норильску электромобиль выглядит нелепицей сейчас — и за 10–15 лет законы физики вряд ли изменятся.

КАК УЛУЧШИТЬ ДВС?

Способов оптимизации сгорания много, отнюдь не фантастических, и они постепенно воплощаются серийно. Так, компания Mazda реализовала на дизеле 2.2 SkyActiv-D рекордно низкую степень сжатия 14,1:1. Результат: более низкое давление и температура в верхней части поршня, лучшее смешение воздуха и топлива, меньше оксидов азота и сажи на выпуске. На бензиновом SkyActiv-X (2018 год) впервые применено воспламенение от сжатия, что значительно повысило КПД и дало большой выигрыш по экологии.

Наконец, самый радикальный подход: технология FreeValve от шведского производителя суперкаров Koenigsegg. Не нужны распредвалы, привод ГРМ, дроссельная заслонка — всем процессом газораспределения занимаются компактные электромагнитные актуаторы. Фазы меняются без ограничений, что позволяет в зависимости от режима использовать несколько выгодных термодинамических циклов помимо стандартного цикла Отто и имитировать изменение степени сжатия. Выбросы теоретически возможны нулевые.

Читайте также  Стартер опель омега а

Быстрому созданию «идеального ДВС» препятствуют конкуренция и патентная система. Но в критической для всех ситуации заводы, возможно, найдут общий язык.

Инновационные автомобильные двигатели 2020: ТОП-6

Описание и обзор наиболее интересных разработок инновационных двигателей: топ-6 моделей, технические подробности. Видео про необычные двигатели. Описание и обзор наиболее интересных разработок инновационных двигателей: топ-6 моделей, технические подробности. Видео про необычные двигатели.

Инновационные автомобильные двигатели 2020: ТОП-6

Современные двигатели из года в год становятся всё более технологичными и в то же время всё более ненадежными. Производители пытаются и сохранить мощность, и снизить «прожорливость», и соответствовать экологическим нормам, что нередко вредит эффективности конструкции.

О самых инновационных разработках в сфере двигателестроения – в нашем обзоре.

Инновационные автомобильные моторы

1. Skyactiv-G

Skyactiv-G

Новая разработка от Mazda состоит в снижении температуры цикла для увеличения уровня сжатия бензинового мотора. С этой целью инженеры компании изменили выпускную систему, использовав схему 4-2-1, при которой выхлопные газы поочередно направляются в воздух. Таким образом, за счет снижения попадающих в цилиндры газов улучшается их продувка и снижается температура горючей смеси.

Объем отработанных газов снижается ровно вполовину, тем самым повышая степень сжатия на 3 единицы. Одновременно система корректировки фаз на впускном и выпускном распредвалах улучшает газообмен, а цилиндры небольшого диаметра и увеличенный ход поршня способствуют более слабому нагреву камер сгорания.

Вся проделанная работа позволила повысить крутящий момент на низких оборотах, а уменьшение объема вредных выбросов и экономия топлива получена путем того, что модернизированный двигатель имеет сниженные на 15% обороты по сравнению с традиционными моторами.

В результате те водители, которые не готовы отказаться от классических ДВС, получают атмосферный 2-литровый двигатель, превосходящий экономичностью 1,4-литровый турбированный мотор.

2. Skyactiv-D

Skyactiv-D

Поработали японские специалисты и над дизельным мотором, считая, что турбированные двигатели обладают слишком высоким давлением и температурой, мешающей топливу равномерно перемешаться с воздухом.

Такой механизм дает быстро осуществлять впрыск и воспламенение, повышая КПД двигателя, а заодно расширяет рабочий диапазон до 5200 об/мин.

Двигатель оснастили двумя последовательными турбокомпрессорами, выдающими 1,4 атм, а эффективный запуск даже при низких температурах обеспечивает система изменения фаз газораспределения. В процессе такта впуска выпускные клапаны открываются, направляя часть отработанных газов обратно в цилиндр и нагревая смесь.

Вес нового двигателя снизился на 10%, тогда как крутящий момент и экономичность лишь немного уступают предыдущему «хиту» Mazda MZR-CD 2.2.

3. Формула идеального мотора

модульный двигатель БМВ

На фото: модульный двигатель БМВ

Немецкие инженеры изучили такие параметры, как коэффициент полезного действия, тепловой баланс и механические потери, и вывели формулу идеального рабочего объема цилиндра, который равен 0,5 литра. При этом правильная камера сгорания должна иметь в центре форсунку непосредственного впрыска, а также 4 клапана и свечу. Двигатель с таким устройством будет гораздо проще конструировать – словно «из кубиков», по высказыванию специалистов BMW.

В 3-цилиндровом исполнении двигатель будет обладать одной турбиной, в 4-цилиндровом – двухпоточной, а в 6-цилиндровом – битурбированной. Едиными будут цепной привод распредвалов, газораспределительная система и ходы клапанов.

Кроме того, для одинаковых по объему турбированных бензиновых и дизельных двигателей допустимо будет применять одни и те же детали и агрегаты. То есть, автопроизводителю будет проще контролировать объемы производства в зависимости от потребительского спроса и изготавливать на единой производственной линии порядка четырех моделей одновременно.

4. Сколковские инновации

Сколково

Не отстают от немецких коллег и ученые отечественного центра «Сколково», которые также сумели существенно повысить КПД двигателей внутреннего сгорания.

Все автопроизводители годами работают над тем, чтобы улучшить достаточно невысокий КПД классических двигателей. Они изменяют тягу, оснащают современными технологиями, становятся экономичными и экологичными. Теперь и российские инженеры разработали революционную технологию, достойную внедрения во всем мире.

Проект «Мотор» в данный момент не имеет мировых аналогов и позволяет более чем на 30% снизить потребление даже у наиболее экономичных двигателей.

Инженеры заменили кривошипно-шатунный механизм на уникальную запатентованную кинематическую схему по отбору мощности. Специальное устройство будет «гасить» инерционные силы, совершенствуя показатели любого ДВС, в том числе улучшает крутящий момент, вдвойне снижает частоту вращения, упрощает трансмиссионный узел.

Подобная тестовая схема показала отличные результаты и функциональность, поэтому не за горами новые, высокопроизводительные двигатели российского производства.

5. Скандинавские свободные клапаны

Скандинавские свободные клапаны

Дочерняя фирма шведского производителя Koenigseggпод названием FreeValve проводит интересные изыскания в области усовершенствования распредвала двигателя. Подход специалистов компании состоит в том, чтобы заменить привязку к конкретной, статической формуле гибкостью в ходе работы двигателя.

Гениальность скандинавской разработки заключается в отсутствии кардинальных изменений в конструкции силового агрегата при увеличении его мощности на 30% , экологичности – на 50 %, экономичности – на 20-50%.

Специалисты отметили, что двигателю не нужны распределительные валы, так как новые клапаны будут способны функционировать каждый по отдельности, не соединенные жестко с «соседями». Так и родилось название новой разработки — «свободные клапаны» или FreeValve.

Классический распредвал в силу конструктивных особенностей далеко не идеален, вызывая определенные проблемы: повышенный расход топлива от увеличения мощности или сниженный крутящий момент на высоких оборотах для улучшения пиковой мощности. Тогда как FreeValve заменил его клапанами, приводимыми в действие отдельным приводом, контролируемым электроникой.

Шведская технология делает двигатель максимально эффективным при разных режимах работы и на разных оборотах без риска провалов в процессе холостого хода, слабой динамики или усиленного расхода топлива.

Лишенная распредвала система затрачивает на 10% меньше энергии, которая обычно тратится на работу привода «головных» систем, преодоления трения. На выходе такой двигатель получается дешевле аналогичного дизельного агрегата, имея более высокую эффективность, меньший расход топлива и улучшенные показатели крутящего момента.

Наконец, специалисты шведской компании предусмотрели вариант аварийной работы силового агрегата, во время которого даже при работе лишь четверти приводов клапанов водитель сможет продолжить движение и добраться до техцентра.

6. На благо экологии

экологические изыскания Феррари

В силу экологических требований Евро-7 все автопроизводители бьются над задачей разработки двигателей одновременно мощных и имеющих соответствующий уровень выбросов. Не избежала этой участи и легендарная компания Ferrari, исследователи которой уже направили в Американское Бюро по патентам и товарным знакам сразу два эскиза новой технологии впрыска топливо-воздушной смеси.

Одна из них предполагает впрыск малой доли топлива перед свечой зажигания сразу перед ее включением, чтобы таким путем улучшить продувку камеры сгорания и повысить температуру топливо-воздушной смеси. В таком случае двигатель прогреется в разы быстрее и станет менее токсичен для окружающей среды.

Другой разработкой является дополнительная компактная камера сгорания, помещенная над центром основной камеры сгорания, отделенная от нее перегородкой и имеющая собственную свечу зажигания. Задача подобной конструкции аналогичная – снизить уровень выброса токсичных веществ и повысить топливную эффективность.

Конструкция современных двигателей мало отличается от «отцов-основателей», имея те же коленвалы, поршни, цилиндры и прочие элементы. Поэтому основные новшества касаются модернизации этих узлов, оснащении их электронным управлением, замены материалов изготовления на более лучшие и надежные.

Создание же по-настоящему нового силового агрегата – процесс длительный. Поэтому при частой смене модельных рядов новые двигатели они преимущественно получают от предыдущих «собратьев».

Видео про необычные двигатели:

Двигатель внутреннего сгорания: будущее есть

Двигатель внутреннего сгорания без преувеличения раскрутил мотор научно-технического прогресса. Автомобильный транспорт является важнейшим средством перевозки пассажиров и грузов. В США сегодня на 1000 человек приходится почти 800 автомобилей, а к 2020 году в России этот показатель составит около 350 машин на тысячу населения.

Подавляющее большинство из более миллиарда автомобилей на планете все еще используют двигатель внутреннего сгорания (ДВС), изобретенный в XIX веке. Несмотря на все технологические ухищрения и «умную» электронику, коэффициент полезного действия современных бензиновых двигателей все еще «топчется» вокруг отметки в 30%. Самые экономичные дизельные ДВС имеют КПД в 50%, то есть даже они половину топлива выбрасывают в виде вредных веществ в атмосферу.

Естественно, говорить об экономичности ДВС не приходится, особенно если учесть, что современные автомобили сжигают по 10-20 литров горючего на 100 км пути. Не удивительно, что ученые по всему миру пытаются создать доступные электрические и водородные авто. Однако и концепция двигателя внутреннего сгорания не исчерпала потенциал модернизации. Благодаря последним достижениям в области электроники и материалов, появилась возможность создать по-настоящему эффективный ДВС.

Инженеры компании EcoMotors International творчески переработали конструкцию традиционного ДВС. Он сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15-20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизель и этанол.


В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе

Добиться этого удалось с помощью использования оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединенных специальной муфтой с электронным управлением. Двигателем полностью управляет электроника, благодаря чему удалось добиться высокого КПД и минимального расхода топлива. Например, в пробке и других случаях, когда полная мощность двигателя не нужна, работает только один модуль из двух, что уменьшает расход топлива и шум.

Читайте также  Является ли прицеп транспортным средством

[15:25:50] Хафиятуллин Ринат:

Также мотор оснащен управляемым электроникой турбокомпрессором, который утилизирует энергию выхлопных газов и вырабатывает электроэнергию. В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе. У него нет блока головки цилиндров, он сделан из обычных материалов и издает меньше шума и вибраций. При этом двигатель получился очень легким: на 1 кг веса он выдает мощность больше 1 л.с (на практике он приблизительно в 2 раза легче традиционного двигателя такой же мощности). Более того, изделие EcoMotors легко масштабируется: достаточно добавить несколько модулей и двигатель малолитражки превращается в мотор мощного грузовика.

Опытный двигатель EcoMotors EM100 при размерах 57,9х 104,9х47 см весит 134 кг и выдает мощность 325 л.с. при 3,500 оборотах в минуту (на дизтопливе), диаметр цилиндров — 100 мм. Расход топлива у пятиместного автомобиля с мотором EcoMotors планируется чрезвычайно низкий – на уровне 3-4 л на 100 км.

Экономия во всем

Компания Achates Power поставила себе цель разработать ДВС с расходом топлива 3-4,5 л на 100 км для автомобиля размером с Ford Fiesta. Пока их экспериментальный дизельный двигатель демонстрирует гораздо больший аппетит, но разработчики надеются уменьшить расход. Однако главное в данном моторе – исключительно простая конструкция и низкая себестоимость. Согласимся, что экономия на топливе мало чего стоит, если она обошлась ценой многократного удорожания мотора.


Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию

Двигатель Achates Power имеет предельно простую конструкцию. Это двухтактный оппозитный дизельный мотор, в котором два поршня движутся навстречу друг другу, образуя камеру сгорания. Таким образом отпадает необходимость в головке блока цилиндров и сложном газораспределительном механизме. Большинство деталей мотора изготавливаются с помощью несложных производственных процессов и не требуют дорогих материалов. В целом, двигатель содержит намного меньше деталей и металла, чем обычный.

В настоящее время на испытаниях мотор Achates Power демонстрирует экономичность на 21% большую, чем лучшие «традиционные» дизельные двигатели. Более того, он имеет модульную конструкцию, большую удельную мощность (соотношение вес/л.с.). Также благодаря особой форме верхней части поршня создается вихревой поток особой формы, обеспечивающий отличное перемешивание топливовоздушной смеси, эффективный теплоотвод и уменьшающий время сгорания. В результате двигатель не только соответствует военным спецификациям армии США, но и превосходит по характеристикам двигатели, которые сегодня устанавливаются на боевую технику.

Американская компания Transonic Combustion решила не создавать новый двигатель, а добиться внушительной (25-30%) экономии топлива с помощью новой системы впрыска.

Высокотехнологичная система впрыска TSCiTM не требует радикальных переделок двигатели и, по сути, представляет собой набор инжекторов и специальный топливный насос.


Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания

Процесс сгорания TSCiTM использует непосредственный впрыск бензина в виде сверхкритической жидкости и специальную систему зажигания.

Сверхкритическая жидкость – это состояние вещества при определенной температуре и давлении, когда оно не является ни твердым телом, ни жидкостью, ни газом. В таком состоянии вещество приобретает интересные свойства, например, не имеет поверхностного натяжения, и образует мелкодисперсные частицы в процессе фазового перехода. Кроме того сверхкритическая жидкость обладает способностью быстрого переноса массы. Все эти свойства крайне полезны в двигателе внутреннего сгорания, в частности, сверхкритическое топливо быстро смешивается, не имеет крупных капель, быстро сгорает с оптимальным тепловыделением и высокой эффективностью цикла.

Компания Grail Engine Technologies разработала уникальный двухтактный двигатель с очень заманчивыми характеристиками. Так, при потреблении 3-4 литров на «сотню», двигатель выдает 200 л.с. Мотор с мощностью 100 л.с. весит менее 20 кг, а мощностью 5 л.с. – всего 11 кг! При этом Grail Engine, в отличие от обычных двухтактных моторов, не загрязняет топливо маслом из картера, а значит, соответствует самым жестким экологическим стандартам.

Сам двигатель состоит из простых деталей, в основном изготавливаемых способом отливки. Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine. Во время движения поршня вверх, внизу создается отрицательное давления воздуха и через специальный углепластиковый клапан воздух проникает в камеру сгорания. В определенной точке движения поршня начинает подаваться топливо, затем в верхней мертвой точке с помощью трех обычных электросвечей происходит зажигание топливно-воздушной смеси, клапан в поршне закрывается. Поршень идет вниз, цилиндр заполняется выхлопными газами. По достижении нижней мертвой точки поршень опять начинает движение вверх, поток воздуха вентилирует камеру сгорания, выталкивая выхлопные газы, цикл работы повторяется.


Секрет выдающихся характеристик кроется в схеме работы Grail Engine

Компактный и мощный Grail Engine идеально подходит для гибридных автомобилей, где бензиновый мотор вырабатывает электроэнергию, а электромоторы крутят колеса. В такой машине Grail Engine будет работать в оптимальном режиме без резких скачков мощности, что существенно повысит его долговечность, снизит шум и расход топлива. При этом модульная конструкция позволяет присоединять к общему коленвалу два и более одноцилиндровых Grail Engine, что дает возможность создания рядных двигателей различной мощности.

Новые модели авто появляются каждый год – но по каким-то причинам на них не стоят вышеописанные экономичные и простые двигатели. Действительно, двигателями новой конструкции интересуются все: от вездесущего инвестора Билла Гейтса до Пентагона. Однако автопроизводители не спешат устанавливать новинки на свои машины. Видимо, все дело в том, что крупные автоконцерны сами производят двигатели и, естественно, не желают делиться прибылью со сторонними разработчиками. Но в любом случае жесткие экологические стандарты и электромобили заставят автопроизводителей внедрять новые технологии, гораздо более важные для здоровья людей и всей планеты, чем мультимедийные системы и дизайнерские изыски.

Альтернативные силовые установки для транспортных средств

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.

Эффекты

Экологичность: при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода

Распределенное энергоснабжение: водород в виде неиспользованного электричества можно применять для питания домашней электросети

Возможное сокращение общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г.

Оценки рынка

70 тыс. в год

к 2027 г. составит выпуск новых водородных автомобилей в мире

Драйверы и барьеры

Удобство 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: у язвимость 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

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии 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.

Читайте также  Штраф при замене прав
Эффекты

Сокращение 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 рынка

40 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 барьеры

Экологичность: 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

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии 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.

Эффекты

Значительное 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 (

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 барьеры

Ужесточение 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

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

ДВС или электричество. Какие двигатели будут работать в машинах будущего?

Многие страны Европы и мира декларируют постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Так, премьер-министр Дании Ларс Лекке Расмуссен в октябре 2018 года заявил, что к 2030 году в стране планируется ввести ограничения на продажу новых автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями. А уже к 2050 году Дания собирается полностью вывести транспорт с ДВС из эксплуатации. Франция, Швеция, Норвегия придерживаются тех же позиций и рассматривают вопрос о поэтапном отказе от привычных сейчас моторов к 2040 году. В Великобритании вообще запланирован отказ от ДВС к 2032 году. На фоне этих громких заявлений прагматики ставят вопрос: а на чем будет ездить человечество? Несмотря на многие преимущества электромотора, пока нет ни одной компании, которая бы получала прибыль от производства электрокаров. Слишком короткие пробеги на одной зарядке, чувствительность к низким температурам и высокая зависимость от сложной инфраструктуры ставят под вопрос их массовую эксплуатацию. Гибридные установки с функцией подзарядки, конечно, могут эксплуатироваться более широко и заменить машины с ДВС, но у владельцев таких транспортных средств рано или поздно встает вопрос: а зачем переплачивать за дополнительный электромотор, если он используется лишь в 5% от времени поездки? На этом фоне очень обнадеживающе звучит признание технического директора Volkswagen AG Маттиаса Рабе: что хоронить ДВС пока рано. Потенциал их усовершенствования еще не исчерпан.

Парад старых автомобилей.

Недостаточное сгорание топлива

Главной причиной, по которой крупные автоконцерны переходят к гибридным установкам, являются экологические требования по выбросам диоксида углерода (CO2). Еще в 2018 году должен был вступить в силу стандарт, по которому все выпускаемые автомобили не должны в среднем превышать значения выбросов в 95 гр/км. Пока технологический уровень не позволил достигнуть приемлемых результатов, и новый стандарт отложен до 2021 года с перспективой продления моратория до 2025 года. А к 2030 году средние показатели выбросов СО2 должны снизиться до 66 гр. Достигнуть заявленного значения можно только при периодическом выключении мотора и использовании электродвигателя.

Однако дополнительный мотор — это всегда увеличение веса и снижение динамических характеристик. Кроме того, согласно анализу эксплуатации гибридных машин, их владельцы редко ездят на электричестве. Почти всегда бензиновый мотор находится в работе, а электрический двигатель необходим лишь для сертификации, чтобы на стендах помогать машинам показывать заявленные в экологических стандартах показатели.

По словам Маттиаса Рабе, сейчас есть возможность обеспечить требования по выбросам CO2 и без довеска в виде дополнительного электродвигателя. Правда, для этого потребуется существенно переработать конструкцию двигателя внутреннего сгорания и разработать новые сорта синтетического топлива. Что это за технологии?

Авиационные технологии

Вредные выбросы появляются в выхлопе в результате неполного сгорания топлива. Сейчас в современных моторах смесь сгорает только на 75%, а ее остатки выбрасываются в систему выпуска и догорают в катализаторе, в результате чего пары газа проходят через сложные преобразования. Чтобы сократить количество вредных веществ, необходимо обеспечить качественное сгорание смеси с увеличением КПД мотора.

Такая технология у немцев уже есть. Называется она Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC), то есть «встречные поршни, встречные цилиндры». Взята она из недавнего прошлого авиации. К примеру, в немецких «Юнкерсах» применялись двигатели со встречными поршнями, которые обеспечивали лучшее заполнение камер сгорания и газоотвод, чем у обычных четырехтактных моторов.

В итоге сгорание топлива улучшается. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, а в моторе с технологией OPOC — турбонаддув. Для лучшей работы на низких оборотах разогнать турбину помогает внешний электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.

При этом мотор OPOC состоит из модулей, из которых можно собирать многоцилиндровые агрегаты, комбинируя блоки и соединяя их электромагнитными муфтами. Для экономии топлива один или несколько модулей можно отключать.

Синтетическое топливо

Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.

Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы. Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.

В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: