Метрика

Новый двигатель

Во всем мире принято стремиться к энергоэффективности, но потребление нефтепродуктов постоянно растет, а экологи тревожатся об Арктических ледниках. Люди изобрели малолитражные автомобили, пересели на велосипеды. Что изменилось? Новые моторы все равно нужны промышленности, кораблям, самолетам и даже газонокосилкам. Пошатнуть позиции двигателей внутреннего сгорания пока не удалось, но в скором времени нас ждут новые открытия.

Как устроен двигатель?

Возможно, не все знают, как работают моторы. В основе лежит свойство газов расширяться при сгорании. Разработчики вычисляют, при каком давлении это происходит эффективнее всего. В герметичный цилиндр двигателя поступает смесь топлива и кислорода, воспламеняется, и именно энергия расширения передается через поршни на коленчатый вал и заставляет крутиться колеса.

Тепловая энергия двигателя не используется, наоборот, ему нужна система охлаждения. Мотор современного авто имеет до 16 цилиндров, и следующие обслуживающие системы:

  • Газораспределительная: чтобы в двигатель поступало нужное количество горючей смеси;

  • Смазочная: предотвращает повышенное трение деталей, защищает от коррозии, помогает охлаждению;

  • Охлаждение: отводит тепло;

  • Подачи топлива: рабочая смесь состоит из топлива и атмосферного воздуха;

  • Выхлопная: отработанные газы попадают в каталитический нейтрализатор, резонатор, глушитель и выбрасываются в атмосферу. Турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя за счет выхлопных газов: они поступают в турбину, вращают колесо и это усилие используется для предварительного сжатия воздуха, поступающего в камеру сгорания. Особенно высок КПД у турбин в больших грузовиках.

Двигатели отдают мощность только после достижения определенного количества оборотов – это называют холостым ходом. Считается, что стандартный бензиновый ДВС имеет КПД всего 25-30%, дизельный 35-40%, но производители утверждают, что давно добились лучших результатов.

Мощность двигателя часто ставят на первое место, несколько лошадиных сил становятся причиной покупки автомобиля. Эта величина показывает, сколько работы может выполнить агрегат за секунду. Крутящийся момент – это количество оборотов коленчатого вала. При зажигании мотор оживает, набирает мощность, и крутящийся момент растет до определенного предела. Затем при увеличении возникают потери: не хватает производительности турбины, увеличивается трение деталей и нагрузки на все системы.

В авиадвигателе энергия сгорания поступает сразу в атмосферу для создания тяги. Этой силы достаточно, чтобы поднять в воздух огромный авиалайнер. Реактивные двигатели ракет используют для возгорания окислитель. Принципиально конструкции не менялись, производители экспериментировали с давлением, количеством и расположением цилиндров, регулировали разные системы.

SkyActiv – новая реальность Mazda

Степень сжатия смеси топлива с воздухом у бензиновых двигателей от 9 до 11, в спортивных автомобилях до 12,5. Очевидно, что чем выше давление, тем больше КПД, но одновременно растет аппетит мотора и вероятность детонации.

В новом бензиновом двигателе Mazda SkyActiv-G достигли сжатия 14. Для предотвращения детонации были добавлены новые топливные форсунки, которые лучше смешивают и распределяют смесь. Выхлопной коллектор направляет отработанные газы по длинным трубам, лучше охлаждает и не допускает их обратного попадания в камеру сгорания. Более точная работа газораспределительной системы увеличила крутящийся момент на 15%, при этом сократив трение, расход топлива и выбросы CO2.

В дизельном двигателе топливо самовозгорается при достижении сжатия 16:1. Этот процесс не дает образоваться качественной смеси и мешает равномерному горению. При недостатке кислорода сажа, а при избытке – окись азота. Низкое давление приводит к нестабильному горению, особенно на холодном пуске.

В новом двигателе SkyActiv-G степень сжатия равна 14 – это небывалая величина для дизеля. В результате топливо лучше смешивается с воздухом, температура горения ниже и оно происходит медленнее. У SkyActiv-G, как у бензинового собрата, установлены форсунки для подачи и изменена система работы клапанов. Часть отработанных газов отправляется в соседние цилиндры. Снижение трения позволило использовать алюминий, а во избежание пропусков установлены керамические свечи зажигания. При снижении расхода топлива на 20% удалось достигнуть 175 л.с.

Новым двигателям понадобилось более точное управление, поэтому была создана трансмиссия SkyActiv. Вес кузова и шасси был снижен, автомобиль стал более эргономичным и маневренным.

Новое поколение модульных двигателей

Кривошипно-шатунный механизм был известен древним римлянам и они пользовались им для своих целей. Модульные моторы появились у Volvo 30 лет назад, они отличались взаимозаменяемыми деталями: клапанами и поршнями.

Концерн BMW решил заняться настройкой точности. Они определили, что объем одного цилиндра при сжатии 11:1 должен составлять 450-500 см3. В двигателях используется турбокомпрессор twin-scroll, который впервые применил Porche. Турбина имеет 2 рабочие камеры, в которые поступают потоки выхлопных газов из разных цилиндров. Это увеличивает эффективность впрыска и газораспределения. Одинаковые детали для всех двигателей позволят снизить издержки на производство.

Проект «Мотор –Зеленый муравей»

Группа разработчиков из Сколково придумала новую кинематическую схему двигателя. В отличие от кривошипно-шатунного механизма она способна гасить инерцию. Новая разработка запатентована, но еще не интегрирована в автомобиль. Она имеет увеличенный крутящийся момент, но сниженную частоту вращения и позволяет существенно упростить трансмиссионный узел.

Свободу клапанам

Шведские разработчики Koenigsegg создали Free Valve. Концепция предполагает полный отказ от классических формул распредвала. Вместо этого все клапаны будут регулироваться электроникой независимо друг от друга.

Недостаток классических двигателей в том, что при увеличении мощности работы в определенный момент увеличивается расход топлива, но крутящийся момент снижается. Новая система экономит 10% энергии, которые требовались для функционирования распредвала. Кроме этого, даже если большая часть клапанов выйдет из строя, водитель сможет самостоятельно добраться до сервисного центра, а двигателю для работы в аварийном режиме потребуется лишь четверть приводов. Реализацию взял на себя китайско-израильский концерн Qoros.

Турбины

Новый двигатель BMW 7 – первый в мире дизель с рекордным числом турбин и мощностью. Система состоит из двух малоинерционных нагнетателей и двух компактных компрессоров. Турбины включаются в работу поступательно, обеспечивая быстрый разгон и солидную экономию топлива: до 11% на 100 км.

Турбины с изменяемой геометрией крыльчатки используются в спортивных авто с 1980. Концерн Volkswagen представил свою турбочетверку, способную оптимизировать работу нагнетателя за счет изменения сечения. Это позволяет быстрее получить максимальный крутящийся момент и экономить топливо при высоких нагрузках. В этом же двигателе применяется принцип цикла Миллера: впускной клапан остается приоткрытым в начале процесса сжатия, благодаря этому степень сжатия увеличивается на 20%.

Audi SQ7 оснащена двумя турбинами и компрессором с электроприводом. Электрический двигатель компрессора с литиево-ионными аккумуляторами помогает избежать турбоямы и уже через четверть секунды делает 70 тысяч оборотов.

Турбодвигатели позволили Porche снизить показатели рабочего объема, одновременно увеличивая мощность. Счастливым владельцам новых автомобилей это гарантирует снижение налогов и экономию бензина.

Китайские роботы в Британии

Государственная китайская компания Changan создала исследовательский центр в Бирмингеме, есть такие центры и в Италии. Объясняется такая ситуация просто: квалифицированных инженеров трудно заманить в КНР.

В семействе Blue Core объединены все актуальные решения: турбонаддув, форсунки, электронные клапаны. Но самое удивительное – роботизированая коробка передач. Умная система оценивает количество оборотов двигателя, скорость движения, усилие, с которым водитель нажимает на педаль газа, и подбирает оптимальный режим работы, расхода топлива, обеспечивает плавность движения.

Свой робот есть у Great Wall и Geely. Две трансмиссии позволят кататься за рулем одного авто в спортивном и нормальном режиме. Первые роботы выпустил на рынок Volkswagen. Роботизированная коробка стоит дешевле автомата, но ни в чем не уступает ему. Однако, искусственный интеллект не любит агрессивную езду, резкие рывки и торможения. Если автомобиль застрял в сугробе или завяз в грязи, пробуксовка не поможет. Двигатель перегреет робота, возможно насовсем.

Замысловатые конструкции

В целом, пока никто не изменил классический ДВС, проводился только тюнинг, но некоторые разработчики уверены, что новое поколение двигателей должно работать иначе.

Встречные поршни и встречные цилиндры двигателя OPOS регулируется коленвалом расположенном в центре. На каждой шейке коленвала закреплено по 2 шатуна, которые умеют раньше открывать выпускное окно, очищая камеру сгорания от отработанных газов и заранее закрывать, сберегая остаточную горючую смесь. Двигатель получился самым компактным, но опытный образец проходил тестирование еще до введения действующих экологических норм.

Кармело Скудери вместо одного цилиндра решил поставить два, объединенных между собой, но первый нужен только для того, чтобы сжимать воздух, эту функцию сейчас выполняет компрессор. Позже в Scuderi Group был запатентован вариант, сжимающий топливную смесь в первом цилиндре, и передающем во второй.

Возможно, ДСВ настолько совершенен, что лучшие инженерные умы не смогли ничего изменить в его конструкции за столетие.

Электрокары

Автозаправки есть практически во всех населенных местах, чего не скажешь о зарядках для электромобилей. Самый волнующий вопрос: сколько они могут проехать не заряжаясь?

В ООО «Электротранспортные технологии» к двигателю с литиево-ионной батареей добавили настоящий трансформатор. Медная катушка, которая пропускает через себя ток, формирует электромагнитное поле, дает возможность регулировать мощность и повышать КПД. Генеральный директор Илья Федичев утверждает, что электрокар проедет на 15% больше.

Уже создано несколько видов аккумуляторных батарей, производители разрабатывают технологии утилизации к 2030 году. Считается, что на свалках появится большое число электромобилей, прослуживших 8-10 лет. Сейчас примерно половина стоимости – это АКБ, поэтому замена аккумулятор и ремонт двигателя крайне невыгодны. Наилучший результат – 800 км. без подзарядки от фирмы Grafenano.

Графен – это уникальный материал, по сути кристалл толщиной всего в один атом, способный проводить электричество без потерь. Возможно, электромобили когда-нибудь смогут завоевать мир.

Гибридные силовые установки

Желание улучшить характеристики ДВС привело к созданию гибридных автомобилей. Сочетание стандартного движка с электродвигателем осуществляется по разным схемам, даже каждое отдельное колесо может иметь собственный мотор.

Такие автомобили получают дополнительную энергию при торможении, это снижает расход топлива в пробках в два раза. Двигатель работает в удобном и бережном режиме, а бортовая сеть может использовать даже вращение колес. Суммарная мощность силовых установок достигает 455 л.с.

Ракеты

Ракетные двигатели – самое скоростное изобретение человечества. По аналогии с авиационными, применяется тяга, создаваемая тепловым расширением. Топливо может быть твердым, жидким, ядерным, плазменным. От этого зависит конструкция ракеты. Одноступенчатые аппараты способны достичь орбиты без отделения частей, а многоступенчатые состоят из нескольких соединений двигателей.

Ступени размещаются одна над другой и включаются поступательно, или могут работать одновременно, но в этом случае на практике не удавалось применить больше двух ступеней.

Удивительно, что первые зарисовки многоступенчатых ракет были созданы еще в XVI веке Конрадом Хаасом, военным техником. В его книге описывается возможность применения устройств в качестве оружия или фейерверка, представлена современная концепция космических аппаратов. Для преодоления гравитации важна одномоментная мощность. В корабле Спейс-Шаттл применили уникальное сочетание 3 собственных двигателей, с закрепленными снаружи дополнительными баками для топлива и боковых твердотопливных ускорителей.

Когда первая ступень заканчивает работу срабатывает пироболт. Электродетонатор обеспечивает отделение усилителей. Важно разделить ступени в атмосфере и не допустить их столкновения, это осуществляется с помощью сил встречного потока воздуха, в разреженной среде используют небольшие дополнительные двигатели.

Русские ракеты Протон имели до 3 ступеней и дополнительные разгонные блоки. В 2019 производство прекратилось. Двигатели ракеты нового поколения Ангара должны работать на экологичном керосиновом топливе. Более компактные, но способные нести большую нагрузку, сравнимую с Протоном, ракеты будут состоять из модульных деталей, которые легко перевозить. Со временем возможно использование Анкары для транспортировки людей.

Двигатели космических летательных аппаратов сегодня остаются не очень надежными из-за использования одноразовых элементов, которые невозможно протестировать до пуска.

Новые концепции

SkyActiv-X от Mazda – это новый бензиновый мотор, расходующий топливо, как дизельный. Инженерам удалось достичь сжатия 15:1. Топливо воспламеняется от сжатия, но есть и дублирующая функция с искрой. Двигатель переключается из одного режима в другой. Аппетит у него вполне умеренный, разработчики говорят о 20% экономии, а по мощности он может сравниться с турбочетверкой.

Liqid piston X Engine – роторный двигатель с инновационной геометрией. За одно вращение происходит три цикла сгорания. Повышенная степень сжатия увеличивает КПД. Двигатели Liqid piston X Engine Mini пока установлены только на картингах, их размер: чуть больше сотового телефона. Такую установку можно адаптировать к любым видам топлива и масштабировать для крупных автомобилей.

Ford представил Achates Power 2.7L 2018 году. Используется встречное движение поршней, и здесь тоже воспламенение происходит от сжатия. Газораспределительная система, клапаны, распределительные валы – такому двигателю не нужны. Благодаря настройкам впрыска экономия достигает 50%.

X3 Truster – ионный двигатель предназначен для использования в условиях невесомости. В исследовательском зонде Down установлена силовая установка на базе ксенона. Новый ионный двигатель показал тягу 5 H, что существенно расширит возможности перемещения аппаратов в космосе.

Перспективы

Потребление нефтепродуктов день за днем становиться рекордным для истории. В развитых странах показатели практически не увеличиваются, но в развивающихся – происходит постоянное наращивание. Новые двигатели уже сейчас могут сократить потребление на 15-20%, конечно, при условии, что все пересядут в современные авто.

Процесс перехода на экономичные двигатели не будет мгновенным. Но уже совсем скоро мы получим высокую мощность, быстрый разгон и плавное движение. При этом производство двигателей постепенно удешевится, умная электроника увеличит экономию топлива, а автомобили станут более экологичными.

К сожалению, революция нефтепотребления вызовет немало экономических потрясений. В отсутствие альтернативного продукта котировки зависят от соотношения цены и спроса. Если нефть стоит дорого ­– страдают страны, которые вынужденные ее покупать, а если дешево – наоборот. Влияние ресурсных рынков на курсы валют может привести к тому, что новые двигатели окажутся безумно дорогими для потребителей.

Техническое совершенство ДСВ объясняется прошлыми открытиями в физике и термодинамике. Новые знания в этих областях помогут механикам совершить прорывы. На разработку новых двигателей сегодня тратятся огромные бюджеты государств и компаний. Даже убежденный пешеход зависит от логистики, авиации, промышленных электродвигателей и цен на топливо, ведь жизнь – это движение и скорость.

Новые двигатели создадут новую реальность, какой она будет – пока неясно. Добывающие компании в маркетинг – планах предусматривают возможные события и стараются создать технологии, пригодные для жизни в 2030, в 2040 и еще более далеком будущем.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector