Меню раздела

Перспективы развития двигателей внутреннего сгорания


Двигатели внутреннего сгорания широко применяют во всех отраслях народного хозяйства и еще долгое время они будут являться источником энергии для различных энергетических установок. Поэтому важнейшей задачей двигателестроения является дальнейшее их усовершенствование.
Двигатель внутреннего сгорания-циклический тепловой двигатель, что, как известно, является одним из его недостатков. Вместе с тем циклический принцип осуществления рабочего процесса позволяет реализовать в двигателях внутреннего сгорания высокие температуры й давления газа, которые до настоящего времени еще не реализованы ни в одном другом типе тепловых двигателей. Использование рабочего тела при высоких давлениях и температурах обусловливает высокую экономичность этих двигателей.
Развитие конструкции двигателей внутреннего сгорания в настоящее время происходит в условиях постепенного истощения мировых запасов нефти и ужесточения требований к экологическим характеристикам двигателей: токсичности, уровню шума и вибрации. Это усложняет решение задач по улучшению технических характеристик двигателей внутреннего сгорания.
Анализ развития мирового двигателестроения показал, что среди тепловых двигателей дизели в настоящее время в широком диапазоне изменения мощности и частоты вращения преобразуют химическую энергию топлива в механическую работу с наивысшим КПД. Так, они примерно на 30% экономичней карбюраторных двигателей. Кроме того, при производстве дизельного топлива энергетические затраты примерно на 10% меньше, чем при производстве бензина. Возможность использования тяжелых топлив, сравнительно легкая реализация больших агрегатных мощностей, увеличение удельной мощности путем применения различных схем соединения с компрессорами и газовыми турбинами, а также меньшая по сравнению с карбюраторными двигателями токсичность и больший срок службы обусловили широкое применение дизелей. Особенно широко их используют на автомобилях в странах с малыми запасами нефти. В настоящее время свыше трети выпускаемых в мире дизелей-дизели для грузовых автомобилей. Растет производство дизелей и для легковых автомобилей. По прогнозам, в будущем дизель практически полностью заменит карбюраторный двигатель в грузовом автомобилестроении и получит большее распространении в легковом.
Несмотря на то, что уже много сделано для повышения индикаторного КПД двигателя, имеются еще резервы, заключающиеся в ускорении процесса прогрева двигателя, организации более быстрого сгорания и в основном в уменьшении потерт» теплоты. Особенно эффективно уменьшение потерь теплоты во время сгорания и в самом начале расширения, так как часть теплоты, отводимая в этот период, может быть использована с наибольшим КПД. В связи с этим получат дальнейшее распространение теплоизолирующие покрытия поверхностей деталей, образующих камеру сгорания.
Обычно в двигателях внутреннего сгорания до 30% и более теплоты, введенной с топливом, отводится в охлаждающую среду и передается через наружную поверхность. Использование даже части указанной теплоты для совершения полезной работы может существенно улучшить экономичность двигателя. Поэтому является актуальным создание адиабатного двигателя, т.е. двигателя без теплообмена с внешней средой через систему охлаждения и путем теплоотдачи от внешней поверхности.
Вследствие роста температуры выпускных газов в адиабатном двигателе увеличивается тепловая энергия, которую можно превратить в полезную работу газовой турбины, установленной на выпуске. В связи с ростом температурного состояния деталей камеры сгорания расширяется сортамент применяемых тоялиа, процесс сгорания становится менее жестким, уменьшается выделение СО и СН и т. п. Однако, как уже указывалось, в адиабатном двигателе возрастает температура деталей, образующих камеру сгорания, вследствие чего для их изготовления требуются жаропрочные материалы, а для смазывания двигателя - термостойкие масла. Отсутствие таких материалов и масел сдерживает развитие этих двигателей.
В связи с непрерывным ростом удельной мощности двигателей повышается давление воздуха на входе в цилиндр. Поэтому перспективными являются работы по усовершенствованию систем воздухоснабжения, например, путем повышения КПД элементов системы, более широкого распространения двухступенчатых схем наддува, и т.д. С увеличением удельной мощности возрастает цикловая подача топлива и расширяется диапазон ее изменения при переходе от режима холостого хода на режим работы с полной мощностью, что затрудняет организацию нормального процесса топливоподачи обычной форсункой. Ведутся работы по улучшению этого процесса и созданию более совершенных схем топливоподачи.
Наиболее перспективным направлением повышения экономичности и уменьшения токсичности двигателей с принудительным воспламенением является создание двигателя, работающего на обедненных смесях. Однако при обеднении смеси скорости протекания химических реакции уменьшаются, а следовательно, понижается и скорость тепловыделения, что увеличивает потери теплоты. Во избежание этого необходимо интенсифицировать процесс сгорания, что обеспечивается при послойном смесеобразовании или при наличии интенсивной мелкомасштабной турбулентной пульсации в заряде.
Эксплуатационный расход топлива двигателей внутреннего сгорания зависит не только от параметров двигателя, но и от согласования его характеристик с характеристиками потребителей, необходимого для рациональной работы установки. В процессе эксплуатации это согласование может нарушаться (вследствие технологических отклонений, износа деталей, нарушения регулировок и т. п.), что приводит к ухудшению экономичности работы. В связи с этим в ближайшие годы будут более широко применяться электронные системы управления двигателем и установкой. Для этой цели будут широко использоваться микро-ЭВМ.
В двигателях с принудительным воспламенением широкое применение получат электронные системы впрыскивания. При использовании таких систем впрыскивания уменьшается расход топлива при движении автомобилей в условиях города по сравнению с карбюраторным смесеобразованием на 5-15%. Кроме того, при наличии хорошо отрегулированной системы электронного впрыскивания существенно понижается токсичность отработавших газов, что позволяет для обеспечения допустимых норм токсичности ограничиться применением одного каталитического нейтрализатора тройного действия без введения таких сложных систем, как рециркуляция отработавших газов или подача вторичного воздуха для дожигания СО и СН.
Для повышения экономичности и удельной мощности двигателей с принудительным воспламенением будет широко использоваться газотурбинный наддув, а также в определенных условиях и наддув от приводного (главным образом объемного) компрессора. Как показывает практика, при увеличении с помощью наддува литровой мощности на 40% и соответственно уменьшении рабочего объема двигателя для сохранения неизменной его номинальной мощности экономичность двигателя улучшается примерно на 10%. Это в равной мере справедливо как для двигателей с принудительным воспламенением, так и для дизелей.
Для улучшения экономичности двигателей в эксплуатации более широко будет использоваться метод выключения части цилиндров при работе на режимах холостого хода и малых нагрузок; при этом нагрузка на работающие цилиндры возрастет, что приведет к улучшению протекания рабочего процесса в них, а следовательно, и к уменьшению расхода топлива. В целях дальнейшего улучшения экономичности автомобиля будут внедрены системы выключения подачи топлива в карбюраторных двигателях и в дизелях при торможении автомобиля или при его движении накатом.
Для повышения эксплуатационной экономичности транспортных средств мощность их двигателей целесообразно выбирать из условий максимальной загрузки. Исследователи полагают, что в ближайшее время четырехцилиндровые двигатели составят около 60% выпуска автомобильных силовых установок.
Для уменьшения механических потерь больше внимания следует уделять совершенствованию конструкции вспомогательных агрегатов и выключению их из работы на отдельных режимах, когда они не нужны. Например, на отдельных режимах работы двигателя можно выключать водяной насос и вентилятор.
Одним из важнейших направлений развития является расширение ассортимента топлива для двигателей внутреннего сгорания. Поэтому развернуты широкие работы по использованию для них топлив широкого фракционного состава, тяжелых топлив, метанола и других спиртов, природных и попутных газов, водорода и т.д. Созданы экспериментальные дизели, которые работают на каменноугольной смоле или на суспензии тяжелого дизельного топлива с тонкоизмельченным угольным порошком. Проводятся исследования по использованию в качестве топлива для дизелей каменноугольной пыли. Эти идеи не новы, работы по их реализации проводились еще в начале появления двигателей. Однако отсутствие износостойких материалов и соответствующих сортов масел не позволило успешно их завершить. Для увеличения выхода светлых моторных топлив возрастает глубина переработки нефти, при этом расширяется фракционный состав дистиллятного топлива и ухудшается качество остаточного. Увеличение глубины переработки нефти приведет к изменению фракционного состава светлых моторных топлив, что вызовет определенные трудности в организации смесеобразования и сгорания, а также хранения топлива.
Ведутся также работы по замене нефтяных жидких топлив. К природным заменителям жидкого топлива могут быть отнесены природный и попутный газы. Однако в этом случае возникают проблемы транспортирования в районы возможного использования. Кроме того, необходимо учитывать, что запасы газа не возобновляются.
Исследования работы двигателей на спиртовом и спиртосодержащем (до 15% спирта) топливе, проведенные на различных двигателях в разных климатических зонах, позволили выявить ряд проблем, связанных с использованием таких топлив, и наметить пути их разрешения. Меньшая теплота сгорания спиртосодержащего топлива компенсируется более высоким индикаторным КПД двигателей, достигаемым вследствие возможного повышения степени сжатия. Склонность к образованию паровых пробок при работе на этих топливах эффективно устраняется при добавлении в смесь до 2% высокомолекулярных спиртов и увеличении расхода топлива.
Проблема пуска двигателей на спиртовом топливе при низкой температуре окружающей среды решается путем добавления* в спирт 6—10% диэтилового эфира или изопентана Расслоение бензоспирто вой смеси и ее чувствительность к содержание воды могут быть уменьшены путем добавления в бензослирто-вую смесь до 3% высокомолекулярных спиртов и приготовления смесей на базе бензина с высоким содержанием низкомолекулярных ароматических углеводородов. Работа дизеля на спиртовом топливе может быть обеспечена впрыскиванием :,а-пальной» дозы дизельного топлива либо добавлением е смесь дизельного топлива и спирта (до 80% спирта), уменьшающих задержку воспламенения. Возможна та-же работа дизеля при подаче во впускную систему до 30 ров спирта.
Организация рабочего процесса двигателей при работе на водороде не вызывает особых затруднений. Основные трудности связаны с получением и хранением водорода. Для получения его в количестве, эквивалентном одной тепловой единице, затрачивается примерно три тепловые единицы. Для хранения водорода в сжатом виде требуются большие объемы баллонов, что неприемлемо для транспортных установок. Для хранения водорода в жидком виде необходимы тяжелые, сравнительно сложные баллоны, имеющие высокую стоимость, используемые в криогенной технике. Значительные трудности представляет применение гидридов металлов и различных генераторов водорода. В настоящее время ведутся работы по использованию жидких носителей водорода, которые выделяют его в присутствии катализаторов. В качестве одного из таких носителей водорода может служить, например, муравьиная кислота, водный раствор которой в присутствии палладия выделяет водород. Этот способ хранения и получения водорода удобен и безопасен. Однако на пути его реализации предстоит преодолеть ряд трудностей, одной из которых является высокая стоимость.
Проводятся широкие исследования по использованию конверсии топлива в специальных регенераторах на установках с двигателями. Применение конверсионных регенераторов позволяет улучшить экономичность и снизить выброс токсических продуктов, а также расширить сортамент применяемых топлив. При конверсии в регенераторе топливо преобразуется в синтез-газ, состав которого зависит от принятой схемы конверсии топлива. Из горючих компонентов в его состав входят водород (до 50-60% в мольных долях в зависимости от принятой схемы конверсии), окись углерода (до 22%) и небольшое количество углеводородов типа СН4 и С2Н4. Образующийся в регенераторе синтез-газ добавляют в камеру сгорания двигателя. Это улучшает смесеобразование, повышает качество и эффективность процесса сгорания, что приводит к улучшению экономичности. В карбюраторных двигателях добавление синтез-газа позволяет работать с большим коэффициентом избытка воздуха (а = 2,5 Ч- 3), что в совокупности с указанным выше обеспечивает значительное улучшение экономичности и уменьшение выброса токсических веществ.
Наряду с совершенствованием двигателей внутреннего сгорания разрабатываются двигатели внутреннего сгорания иных схем, а также двигатели других типов (например, двигатели Стирлинга).