10.7. Інерційні двигуни

Ідея застосування інерційних акумуляторів енергії на транспорті ві­дома давно.

Підвищений останнім часом інтерес до інерційних двигунів пояс­нюється прагненням зменшити шкідливі викиди транспорту в місцях найбільш можливого перебування людей. Загальний розвиток машино­будування дозволив створити більш досконалі акумулятори механічної енергії.

Зараз перспективу застосування інерційних двигунів пов'язують з розробкою так званих "супермаховиків", які виготовляються з високоміц­них шарувато-волокнистих та нитковидних матеріалів. Це забезпечує одержання високої питомої енергоємкості та безпеки при їх руйнуванні.

Використання супермаховиків і розробка досконалих опор дозволи­ли створити силові агрегати, які забезпечують пробіг, близький до порш­невих ДВЗ.

Хоча при застосуванні інерційних двигунів повністю відсутні шкід­ливі викиди в атмосферу міст та населених пунктів, широке їх викорис­тання в близькому майбутньому не є реальним. Пояснюється це малою кількістю дослідних даних по цих двигунах, а також необхідністю розробки принципово нових конструкцій трансмісії автомобіля і створенням на­дійних і довговічних інерційних двигунів.

Більш реальним є застосування гібридних силових систем, що складаються з ДВЗ невеликої потужності і маховика, який можна від'єд­нувати від двигуна і використовувати для рекуперації енергії при галь­муванні і для розгону автомобіля. Застосування гібридної силової сис­теми забезпечує роботу ДВЗ практично в сталому режимі.

Використання інерційних двигунів і особливо гібридних силових си­стем на транспорті дозволить зменшити шкідливі викиди в навколишнє середовище.

Не дивлячись на наявність кількох двигунів нетрадиційних схем, поршневі двигуни ще значний час будуть займати провідне місце на ав­томобільному транспорті. Розглянуті нетрадиційні двигуни претендують лише на обмежене місце, зокрема можливе їх використання у спе­цифічних умовах експлуатації автомобілів (багатолюдні міста, низькі температури, автомобілі зверхвеликої вантажопідйомності та інші).

Питання і завдання для самоконтролю

1. Які двигуни відносяться до двигунів нетрадиційних схем?

2. Назвіть переваги і недоліки кожного з них порівняно з поршневим

ДВЗ.

3.Які, на Вашу думку, перспективи використання кожного з цих дви­гунів на автомобілях?

ПІСЛЯМОВА

Подальший розвиток автомобільних двигунів буде тісно пов'язаний із підвищенням продуктивності роботи автомобілів і покращанням їх експлуатаційних та екологічних характеристик; зменшенням витрат праці, металу та експлуатаційних матеріалів на виготовлення, технічне обслуговування і ремонт ДВЗ; покращенням умов праці обслуги і водіїв.

Розвиток автомобільних ДВЗ в сучасний період відбувається в умовах вичерпування світових запасів нафти та природного газу, поступового переходу на альтернативні моторні палива, в умовах підви­щення вимог до економічних та екологічних характеристик автомобілів, що значно ускладнює вирішення питань щодо покращання двигунів.

Досягнення більш досконалих показників і характеристик авто­мобільних двигунів можливе на основі підвищення ефективності робо­чих циклів, використання їх прогресивних конструктивних схем, у тому числі і з гібридними установками (ДВЗ - тепловий елемент; ДВЗ -акумулятор та ін.), ширшого використання альтернативних палив.

На вітчизняних автомобілях найбільш розповсюджені карбюраторні двигуни, які пройшли довгий шлях розвитку і досягли значної доско­налості. Подальший їх розвиток повинен вестися в напрямку підвищення паливної експлуатаційної економічності при одночасному значному зниженні токсичності відпрацьованих газів. Найбільші перс­пективи при вирішуванні цих проблем пов'язані із забезпеченням стабільної роботи карбюраторних двигунів на збіднених паливо-повітря-них сумішах. Однак при збіднених сумішах зменшується швидкість хімічних реакцій і, відповідно, швидкість тепловиділення в циліндрі, що, в свою чергу, збільшує втрати теплоти. Запобігти цьому можна, інтен­сифікуючи процес згоряння, наприклад, шляхом забезпечення розша­рування паливо-повітряної суміші або створенням дрібномасштабних турбулентних пульсацій у паливоповітряному заряді. За даними дослід­жень, застосування цих рішень може забезпечити підвищення експлуа­таційної економічності двигуна на 3-5% та істотно знизити токсичність відпрацьованих газів.

Потрібно відзначити, що резерви подальшого вдосконалення кар­бюраторних двигунів майже вичерпані, про що свідчить зниження їх виробництва за останні два роки європейськими автомобілебудівними підприємствами до 13% від загального виробництва бензинових двигунів.

Ось чому найбільш значні перспективи в підвищенні економічності і зниженні токсичності бензинових двигунів пов'язані із застосуванням електронних систем впорскування палива. Вони повинні забезпечити, в порівнянні з карбюраторними двигунами, підвищення енергетичних по­казників на 15-20%, зниження експлуатаційної витрати палива до 15-25%, а головне, забезпечити токсичність відпрацьованих газів на рівні нормативних вимог, які постійно підвищуються. Аналіз динаміки розвит­ку світового автомобільного дизелебудування показує, що вона буде позитивною і в подальшому. Це пояснюється тим, що дизелі в широкому діапазоні зміни режимів роботи з найвищим ККД перетворюють хімічну енергію палива в механічну роботу. Так, в експлуатації вони приблизно на 30-35% економніші, ніж карбюраторні двигуни, а їх відпрацьовані гази менш токсичні. Крім того, при виробництві дизельного палива енергети­чні затрати приблизно на 10% менші, ніж при виробництві бензину. Все це зумовлює подальше запровадження в світі і в Україні дизелізації ав­томобільного транспорту і не тільки вантажного. Значні перспективи для дизелів має застосування в них електронного регулювання режимів ро­боти, бо експлуатаційна витрата палива автомобільним ДВЗ залежить як від параметрів двигуна, так і від узгодження його характеристик із характеристиками автомобіля. У процесі експлуатації це узгодження може порушуватися, що приводить до погіршення показників роботи транспортної установки. Щоб запобігати цьому, на автомобілях широко застосовують електронні системи керування та діагностики стану ДВЗ.

Один із напрямків зниження енерговитрат при роботі ДВЗ пов'язаний зі зменшенням витрат теплоти в систему охолодження при одночасній утилізації теплоти, яка виділяється з відпрацьованими газа­ми. Як відомо, в ДВЗ більше 30% теплоти, що вноситься в циліндр із паливом, виводиться у навколишнє середовище через систему охоло­дження. Використання навіть частки цієї теплоти для виконання корис­ної роботи може істотно покращити економічність двигуна. Тому акту­альною залишається проблема створення адіабатного автомобільного двигуна, тобто такого, в якому втрати теплоти через теплообмін із на­вколишнім середовищем будуть мінімальними. У адіабатному двигуні підвищується температурний стан деталей камери згоряння. Це, з одно­го боку, розширює асортимент палив, які можуть використовуватися в цих двигунах, пом'якшує роботу двигуна, зменшує виділення СО і СН із відпрацьованими газами, але, з другого боку, вимагає застосування у них дефіцитних жаростійких матеріалів і термостійких олив, відсутність яких стримує роботи із створення таких ДВЗ.

Утилізація частки теплоти, яка виділяється із відпрацьованими га­зами, можлива в комбінованій силовій установці, що включає, крім ДВЗ, і силову газову турбіну, яка працює на вал двигуна. Така силова устано­вка має більш високий ефективний ККД, і застосування її доцільне на великовантажних автомобілях. Покращення експлуатаційної економіч­ності автомобілів можливо також за рахунок раціонального вибору по­трібної потужності двигуна; виключення частини циліндрів при роботі на режимах холостого ходу і малих навантажень; застосування регульова­них систем динамічного наддуву, ступеня стискання, фаз газорозподілу; вдосконалення конструкції допоміжних агрегатів (вентилятора, рідинно­го насоса та ін.) і виключення їх з роботи на окремих режимах, коли ці агрегати не потрібні. Зменшення запасів нафти, а також зростання втрат на її розвідку і видобуток потребують пошуків замінників традицій­ним нафтовим паливам для ДВЗ. Уже зараз як альтернативне паливо у ДВЗ використовується газ (стиснутий і зріджений). У найближчому май­бутньому слід чекати застосування поновлюваних палив, таких як ета­нол, водень, бензо-водневі суміші, метанол, синтез газ, ріпакова олія, біогаз та інші.

Одночасно із вдосконаленням поршневих ДВЗ у світі розроб­ляються двигуни внутрішнього згоряння інших схем, а також двигуни інших типів (зовнішнього згоряння та ін.)

У підручнику викладені лише принципові основи роботи авто­мобільних ДВЗ, однак, на думку авторів, вони достатні для засвоєння і вирішення, крім перелічених, й інших проблем.

Додаток