Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Особенности систем управления ДВС подвижных объектов на альтернативных видах топлива. Монография
.pdf
11
Одной наиболее эффективных технологий, которая позволяет
увеличить степень сжатия и улучшить топливную экономичность является
непосредственный впрыск бензина (НВБ) в цилиндры двигателя [47].
Значительная экономия топлива (10–15 % по ездовому циклу и до 30 % на
отдельных режимах), которую позволяет обеспечить данная технология,
обусловлена возможностью работать в широком диапазоне частичных
нагрузок на очень бедных расслоенных смесях (обогащенных у свечи и
обедненных на периферии) практически без дросселирования. Основными
проблемами непосредственного впрыска являются: формирование
расслоенного заряда в фиксированной точке (у свечи зажигания) в широком
диапазоне режимов; обеспечение плавного (без рывков и провалов) перехода
между режимами расслоенного и гомогенного сгорания; и нейтрализация
продуктов бедного сгорания, в первую очередь выбросов NОх. Успешное
решение этих проблем требует оптимизации системы сгорания, а также
применения таких технических решений, как аккумуляторная система
впрыска высокого давления (5–10 МПа) с электронным управлением,
электронные системы регулирования вихря, электронный дроссель и
накопительный NОх-катализатор. Эти мероприятия в значительной степени
реализованы в современных двигателях и обеспечивают 2–2,5% прироста
эффективного КПД в диапазоне ε = 10…13,5 на каждую единицу повышения
степени сжатия [24].
Показатель политропы. Одним из способов увеличения показателя
политропы и термического КПД является расширение пределов разбавления
топливно-воздушной смеси отработавшими газами (ОГ) или воздухом, путем
повышения интенсивности турбулентности смеси в цилиндре с помощью
направленных течений: осевого и радиального вихрей на впуске. Особенно
эффективен этот подход на малых скоростных и нагрузочных режимах, где,
реализация его в двух- и четырехклапанных двигателях с фиксированной
геометрией впускных каналов обеспечивает более быстрое сгорание и
12
улучшает антидетонационные качества двигателя без ущерба для
стабильности сгорания.
Основная проблема заключается в том, чтобы избежать излишнего
увеличения турбулентности, которая, особенно на больших оборотах, ведет к
росту аэродинамического сопротивления впускных каналов, снижающего
мощность двигателя, а также увеличивает тепловые потери, что приводит к
снижению индикаторного КПД [48]. Проблему можно решить, контролируя
интенсивность направленных течений с помощью системы регулирования
вихря на впуске или с помощью механизма регулирования фаз и подъема
клапанов.
Насосные потери. Новые технологии регулирования движения
клапанов и отключения цилиндров предоставляют дополнительные
возможности для снижения насосных потерь и, как следствие, уменьшения
расхода топлива. По данным НАМИ, системы регулирования фаз и/или
подъема клапанов позволяют уменьшить дроссельные потери на частичных
нагрузках и за счет этого уменьшить (до 6%) расход топлива и выбросы СО2.
Компания «БМВ» разработала и реализовала одну из наиболее эффективных
систем на этих принципах – Valvetronic. В 4-, 6-, 8- и 12-цилиндровых
двигателях она обеспечивает до 10 % экономии топлива на режимах
европейского ездового цикла за счет регулирования нагрузки без
дроссельной заслонки – непрерывным изменением максимального подъема
впускных клапанов [49]. Это существенно уменьшило насосные потери,
связанные с дросселированием. Кроме того, благодаря повышенной скорости
и турбулентности заряда на впуске при частичном открытии клапанов
улучшилось смесеобразование и сгорание, что также способствовало
снижению расхода топлива.
Потери на трение. Еще один путь повышения эффективного КПД
заключается в уменьшении потерь на трение во всех подвижных частях
двигателя и на привод его вспомогательных агрегатов. Эти потери
составляют существенную часть индикаторной мощности, изменяясь от 10 %
13
на полной нагрузке до 40–50 % на холостом ходу. В европейском ездовом
цикле около 20 % энергии сгоревшего топлива затрачивается на преодоление
трения. Приблизительный вклад разных систем современного двигателя в
потери на трение следующий: поршневая группа – 50 %, клапанный привод –
25 %, подшипники коленчатого вала – 10 %, вспомогательные агрегаты –
15 %.
Очевидно, доминирующим фактором является поршневая группа.
Традиционно потери здесь уменьшают финишной обработкой зеркала
цилиндра, оптимизацией профиля поршня и деформации гильзы,
уменьшением жесткости колец. Весьма перспективно уменьшение массы
поршня и шатуна, но при этом важно не ухудшить долговечность и
функциональность двигателя. Применение новых материалов и технологий
позволило за последние 15–20 лет уменьшить массу этих деталей на 15–35 %,
существенно сократив потери на трение и вибрацию двигателя [50].
Трение в подшипниках обычно снижают за счет уменьшения размеров
и оптимизации зазоров. Очень выгодно применение в клапанном приводе
роликовых толкателей. Полезно также уменьшение массы подвижных
деталей клапанного привода, так как это позволяет применять менее жесткие
клапанные пружины и уменьшить нагрузку на кулачок. Ожидается более
широкое применение маловязких моторных масел и антифрикционных
модификаторов. В целом, за последние 25–30 лет среднее давление трения в
деталях цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма
уменьшилось на 25–30 % [50].
Эффективное использование двигателя в составе автомобиля.
Работая в оптимальных условиях, ДВС способен обеспечить довольно
высокий эффективный КПД (35–38 %). Однако большинство автомобильных
двигателей работают в таких условиях только небольшую часть времени и
эффективный КПД снижается до 20–2 5% [51]. Это происходит по
следующим основным причинам:
14
0 10 20 3
0
,
цилиндра
подъемом клапанов
Упр. нап + наддув +
− большая часть движения осуществляется при работе двигателя на
частичной нагрузке, что приводит к существенному уменьшению
механического КПД двигателя;
− остановленный автомобиль непродуктивно расходует топливо при
работе двигателя на холостом ходу;
− типичная картина движения, особенно в городе, состоит из частых
разгонов и замедлений, при этом энергия, затрачиваемая на разгон
автомобиля, теряется при последующем торможении.
Для решения этих вопросов используются двигатели пониженной
размерности с наддувом, позволяющие снизить расход топлива и выбросы
CO2, системы старт-стоп уменьшающие расход топлива на холостом ходу и
системы рекуперации энергии торможения, позволяющие аккумулировать
часть энергии торможения автомобиля и повторно использовать ее при
последующем разгоне.
Электр. упр. клапанами
Дизель, непоср.
Непоср. впрыск +
наддув + уменьш. разм.
Непоср. впрыск, λ=1
Упр. нап + АКПП
Мех. упр.
клапанами
уменьш. разм.
Непоср. впрыск,
бедные смеси
+ изм. ε
Добавочная стоимость
(уменьшение потребления топлива руб/л)
Упр. нап Упр. нап + упр.впусн.
клап.
впрыск
Непосредственный впрыск
Непосредственный впрыск
дизельный ДВС
Управление наполнением
Управление временем открытия и
Рис. 1.1. Показатели вариантов развития ДВС (относительно традиционного
ДВС, инжектор, λ=1)
Уменьшение потребления
топлива (NEDC), %
15
Проведенный обзор показывает, что современные технологии
обеспечивают ДВС достаточным потенциалом для увеличения КПД,
уменьшения выбросов парниковых газов и улучшения топливной
экономичности, а также позволяют сделать применение его в составе
автомобиля более эффективным (см. рис. 1.1). Однако у этого направления
есть вполне ощутимые пределы, которые определили развитие исследований
в области альтернативных топлив и силовых агрегатов.
1.1.2. Разработка принципиально новых двигателей
Среди силовых агрегатов для автотранспорта, принципиально
отличных от ДВС перспективными являются электрические и гибридные
варианты, которые значительно опережают традиционные ДВС, по
коэффициенту полезного действия. Однако рассматривать их необходимо в
комплексе с источником электроэнергии, располагающимся на борту
транспортного средства.
Электродвигатели обладают выдающимися характеристиками.
Бесшумные, с низким уровнем вибраций и мгновенно доступным крутящим
моментом, они намного лучше приспособлены к ритму городского движения,
чем двигатели внутреннего сгорания [12, 52]. У них больше срок
эксплуатации и межсервисные интервалы, высокий КПД, незначительный
уровень загрязнения окружающей среды и одна главная проблема – запас
хода оборудованного ими автомобиля [14]. Сейчас он составляет около 160
км для автомобилей среднего ценового диапазона и на 50 % больше для
самых современных.
Доля продаж электромобилей по сравнению с обычными автомобилями
не превышает 1%. Причина тому – низкая коммерческая привлекательность
электромобиля и отсутствие сети заправочных станций. Если рассматривать
в комплексе сопоставительную стоимость, удельный расход топлива,
экологичность, доступность инфраструктуры заправок, стоимость
эксплуатации (включая замену оборудования), то универсальный легковой
16
автомобиль с электродвигателем проигрывает по всем этим критериям
автомобилю с двигателем внутреннего сгорания, что служит основанием
крайне низкого уровня продаж.
Однако технологии наземных электромобилей стремительно
развиваются. На смену батареям приходят суперконденсаторы, в гибридах
применяется комплекс мер по увеличению дальности хода, который
включает как уже привычные топливные батареи (Mersedes, Toyota, Tata
Motors), так и миниатюрные реактивные двигатели, солнечные батареи и
«печатную» (printed) электронику, что позволяет сократить стоимость, вес и
увеличить компактность. Находят свое распространение литий-йонные
батареи третьего поколения, ведутся исследования по сбору энергии в самом
автомобиле, например при колебаниях подвески и торможении [53].
Промежуточным звеном между двигателями внутреннего сгорания и
электродвигателями являются гибридные двигатели, обеспечивающие до
90 % снижение выбросов загрязняющих веществ в продуктах отработавших
газов и 30-40% экономии топлива. Структурная схема одного из вариантов
автомобиля с гибридным двигателем представлена на рис. 1.2. В 2011 г.
продажи гибридных автомобилей составили 3,07 % от продаж всех
автомобилей. Прогнозируется, что к 2015 г. эта цифра составит 6 % и 25 % к
2025 г., отчасти потому, что они являются одними из немногих автомобилей,
которые приближаются к новым стандартам экономии топлива (4,7 л. на 100
км к 2025 г.)
Серьезные недостатки гибридов связаны со значительным
усложнением конструкции и существенным увеличением массы
транспортного средства, его продажной цены и стоимости владения,
несмотря на принятые в разных странах налоговые льготы. Основной
проблемой широкого внедрения гибридов является высокая стоимость
современных литий-йонных батарей, имеющих высокую энергоемкость. При
использовании в динамических режимах с большими токами разряда и
соответствующим ускорением их ресурс резко уменьшается (до 30-50 тыс.
17
км), что приводит к недопустимому увеличению стоимости владения. Однако
уже сейчас доступны две серийно выпускаемые модели: Toyota Prius и
Lincoln MKZ, которые могут привести к общей экономии средств в течение
двух лет по сравнению с аналогичными автомобилями на природном газе тех
же марок. Другие гибриды, несмотря на высокие рейтинги расхода топлива,
при среднегодовом пробеге в 20 тыс. км и цене на бензин около 30р./литр,
окупятся только через пять лет.
ВТЭД
Вн. сеть
ПТД
Механическая энергия Электрическая энергия
ЭГМ
ВТЭД
ИНВ
Н
ИНВ
Потребители
ИНВ
ВТЭД
ВТЭД
Рис. 1.2. Структурная схема автомобиля с гибридным двигателем. ПТД –
первичный тепловой двигатель; ЭГМ – электрогенератор-мотор; ИНВ –
инвертор; Н – накопитель; ВТЭД – вторичный тяговый электродвигатель
Судьба электрического автомобиля остается туманной по причине
разнонаправленного действия технических, экономических и политических
факторов. Возможные вектора развития электрических и гибридных
автомобилей представлены на рис. 1.3. Свойства авто на электротяге можно
сгруппировать по двум осям: эксплуатационные характеристики,
включающую такие параметры, как скорость, ускорение, запас хода и
18
Эксплуатационные
Электродвигатели
сгорания
экологические характеристики – вредные выбросы, шум, потребление
ресурсов. ДВС доминируют по оси эксплуатации, электродвигатели – по оси
экологичности, если не учитывать процессы получения и транспортировки
электроэнергии. Гибриды занимают промежуточную позицию, пытаясь быть
«золотой серединой».
Двигатели
внутреннего
характеристики
Гибридные
двигатели
для автомобилей
Экологические
характеристики
Рис. 1.3. Вектора развития электро и гибридных двигателей в сравнении с
традиционными двигателями внутреннего сгорания
Глобальное потепление, энергетическая безопасность, цены на нефть –
все эти факторы содействуют высокой степени активности разработок
электро и гибридных силовых установок, а также государственной
поддержке программ электрификации автомобиля и восприятию обществом
гибридных или полностью электрических автомобилей как возможно
основного транспортного средства будущего. Но в настоящем времени
недостатки в виде высокой стоимости приобретения и владения, а также
малый запас хода по сравнению с аналогами на углеводородном топливе,
препятствуют их широкому распространению. Гибридный автомобиль, не
говоря уже о полностью электрическом, остается автомобилем будущего.
19
1.1.3. Использование альтернативных топлив
Данное направление развития ДВС основывается на том факте, что
нефть является основным сырьем для производства моторного топлива, на
которое тратится более 50 % от общего количества ее добычи. Поскольку
запасы нефти неуклонно сокращаются, а негативное воздействие
автотранспорта на окружающую среду увеличивается, решением проблемы
может быть переход на альтернативные виды топлива, что приводит к
изменению эксплуатационных качеств ДВС, в том числе экологических
характеристик отработавших газов [54, 55].
Такой перевод находящихся в эксплуатации бензиновых и дизельных
двигателей на альтернативные виды топлива позволяет решить сразу две
задачи: снизить экологическую опасность автотранспорта и сократить
использование нефти на его нужды [56]. Из всего множества используемых
на автомобильном транспорте видов топлива по моторным свойствам и
перспективам использования интересны следующие: сжиженные
углеводородные газы, природный газ, метанол и этанол, водород,
биодизельное топливо и синтетический бензин [57].
Синтетический бензин. Сырьем для производства синтетического
бензина может быть уголь, природный газ и другие вещества. Наиболее
перспективным считается получение бензина из природного газа. Однако на
данном этапе развития технологий синтетические топлива из природного
газа, в зависимости от способа получения, в 1,8-3,7 раза дороже нефтяных
[58]. Если принять во внимание нефтедобывающий статус Российской
Федерации, то становится понятным, что этот вид топлива не получит
широкого распространения в ближайшее время.
Биодизельное топливо. Интерес к биодизельному топливу, в
особенности при появлении технологии его получения из рапса, наблюдается
в США, Канаде и странах Европы. В Австрии биодизельное топливо уже
сейчас составляет 3 % общего рынка дизельного топлива. В Америке
планируется заменить обычное дизельное топливо биодизельным на 20 % и
20
использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых
автомобилях. К сожалению, в Российской Федерации практически
отсутствует сырьевая база для производства биодизельного топлива, что не
позволяет прогнозировать его большое распространение для нужд
автотранспорта в нашей стране.
Водород. Использованию водорода в двигателях внутреннего сгорания
способствуют такие его свойства, как высокая скорость и температура
сгорания, широкие пределы воспламеняемости и близкая к нулю токсичность
отработавших газов [59]. Но массовому применению водорода в ДВС
препятствует ряд технических и экономических факторов, в первую очередь
малая концентрация энергии в единице объема газообразного водорода.
Кроме того, процессы получения водорода являются достаточно
энергоемкими и дорогими, также остро стоят вопросы организации его
хранения на борту автомобиля [60].
Этанол и метанол. Этанол обладает высоким октановым числом,
энергетической ценностью и хорошими моторными качествами. Лидерами по
масштабам изготовления этанола для нужд автотранспорта являются
Бразилия и США, где этанол используется в двадцать одном штате. Метанол
также имеет высокое октановое число, а кроме того, отличается низкой
пожароопасностью, что обеспечивает его широкое применение на гоночных
автомобилях. Как этанол, так и метанол могут быть использованы либо в
«чистом» виде, либо в виде смесей с бензином. Использование данных
спиртов в России сдерживается их высокой стоимостью при импорте и
недостатком сырьевой базы для производства.
Природный газ. Природные газы добываются из газовых, либо
газоконденсаторных месторождений. Значительные запасы газа в Российской
Федерации обуславливают его низкую цену – природный газ является
наиболее дешевым видом моторного топлива. Он характеризуется низкой
объемной теплотой сгорания и сверхкритическим состоянием. Для хранения
на борту автомобиля используется сжатие до высоких давлений 20-25 МПа,
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]