Увеличить
Уменьшить
Добавить в избранное
 
Главная
О проекте
Анкеты
Семинары
Статьи
Контакты
Базы данных
Рейтинг ресурсов УралWeb
 

Центр дистанционного обучения

Учебно-методический центр

Интернет-портал интеллектуальной молодёжи

Уфимская доска объявлений

Погода в Уфе
и других городах

конкурс сайтов

конкурс сайтов
123

Раздел посвящен передовым технологиям.

Здесь публикуются статьи ученых и инженеров Республики Башкортостан, отражающие реализацию их творческого потенциала, а также статьи по темам информационных семинаров, проводимых в РНТИК "Баштехинформ".

Машиностроение

Перспективы развития поршневых ДВС

20 января 2004

Б.П.Рудой, М.Д.Гарипов

Энергетика является ключевым элементом в экономике любого государства, его безопасности. Значимое место принадлежит автономной мобильной энергетике (АМЭ). Вектор развития АМЭ в условиях истощения природных ресурсов и озабоченности мирового сообщества экологическими проблемами лучше всего проследить по усилиям политического руководства США. США выделена, как страна, имеющая наиболее мощный научно-технический потенциал и единственная страна, ведущая исследования по всем направлениям науки.

В США разработан ряд программ в соответствии с требованиями, изложенными в правительственном постановлении от 1992 г. об «Энергетической политике». В министерстве энергетики (МЭ) существует управление, отвечающее за перспективные (с высоким КПД) и возобновляемые источники энергии, которой разработана система взаимосвязанных проектов по принципиально новым технологиям, имеющая следующие официальные названия:

  • производство водорода;
  • транспортировка и хранение водорода;
  • применение водорода;
  • получение тепла для жилья и применение комбинированного цикла;
  • легковой и грузовой автомобили;
  • тяжелые грузовые транспортные средства;
  • электромобиль – разработка нового поколения аккумуляторных батарей, конденсаторов и различных накопителей энергии, создание электродвигателей нового поколения, в том числе, использующих эффект высокотемпературной сверхпроводимости;
  • материалы для транспортных средств;
  • риформирование (преобразование) водородосодержащих топлив;
  • разработка и производство гибридных автомобилей и электромобиля на аккумуляторных батареях как систем, обеспечивающих финансовую основу для расширения фронта исследований и окупаемости многих перспективных технологий на ранних стадиях их проработки, что будет способствовать плавному формированию инфраструктуры в переходный период на пути к транспортным средствам, использующих топливные элементы (электрохимические генераторы);
  • разработка электронных систем управления источниками энергии нового поколения и транспортными средствами;
  • создание инфраструктуры, обеспечивающей функционирование энергетики и транспортных средств нового поколения.

В данной работе рассматриваются лишь энергетические установки в диапазоне мощностей до 1000 кВт. Это, прежде всего, автомобильный, воздушный, водный транспорт, средства механизации в сельском хозяйстве, строительстве, мобильные автономные источники электрической энергии и др.. Как видно уже из перечисленных названий проектов, вектор первичных источников энергии направлен в сторону водорода, хотя параллельно принимаются меры по совершенствованию традиционных источников механической энергии – искровых поршневых ДВС и дизелей, использующих традиционные топлива. Это видно по направлениям исследований в рамках проекта МЭ США – «Легковой и грузовой автомобили». Концепция проекта предполагает исследование нескольких технологических проектов и применение их как в чистом варианте, так и смешанном (в различных сочетаниях):

  • Гибридные автомобили (содержащие АБ как обязательную часть).
  • Высокоэффективные газовые турбины (ГТ) с использованием новой керамики, которые рассматриваются в качестве первых претендентов для гибридного автомобиля. Они сочетают в себе высокий КПД (выше 40%), низкий уровень загрязнения и легкую адаптацию к альтернативным топливам.
  • Четырехтактный двигатель с прямым впрыском, который планируется ставить на автомобили в качестве основного двигателя и применять на гибридных автомобилях. Запланировано на 15 – 20% повысить эффективность использования запасенной в топливе энергии и на 10 – 20% уменьшить выбросы СО2 по сравнению с обычными автомобилями с бензиновыми двигателями.
  • Бензиновые ДВС, в итоге постоянной столетней модернизации, получит незначительные улучшения, касающиеся, в основном, снижения потребления бензина за счет увеличения коэффициента избытка воздуха до 2, что потребует применения новых средств катализа, в целях уменьшения количества вредных выбросов.
  • В перспективных ТЭ для автомобилей предполагается получить КПД более 50%, очень малый уровень загрязнения, шума, вибрации. Кроме того, возможно варьирование используемых топлив (водород, этанол, метанол и т.д.).

Цели этих разработок:

  • Турбинные двигатели: провести демонстрационные испытания установки с вдвое меньшим расходом горючего, чем у современных установок и выйти на уровень вредных выбросов, удовлетворяющих стандартам штата Калифорния для автомобилей со сверхнизким уровнем вредных выбросов (СУВВ).
  • Поршневые двигатели: достичь стандарта СУВВ, увеличить экономию топлива до 6% и обеспечить совместимость с альтернативными топливами. При этом КПД дизельной установки довести до 55% (уже существует демонстративный образец двигателя с КПД равным 50% - проект «Тяжелые грузовые транспортные средства»).
  • ТЭ: Среднесрочная задача – закончить разработку двигателя со следующими параметрами:
  • КПД 48%;
  • отношение мощности к весу 250 Вт/кг;
  • отношение мощности к объему 250 Вт/л;
  • длительность непрерывной работы 2000 часов;
  • время готовности для движения (разогрев) от холодного состояния 10 минут;
  • стоимость менее чем 100 дол. за кВт.

Долгосрочная задача – достичь параметров:

  • КПД 51%;
  • отношение мощности к весу 330 Вт/кг;
  • отношение мощности к объему 330 Вт/л;
  • время готовности для движения (разогрев) от холодного состояния 5 минут;
  • стоимость менее чем 50 дол. за кВт.

В ходе разработок предполагается решить следующие проблемы:

  • Турбины: Разработка дешевой керамики и освоение ее производства, интеграция всех подсистем двигателя, достижение поставленной цели по уменьшению количества вредных выбросов;
  • Поршневые двигатели: моделирование процессов горения, катализа и обработки выхлопных газов, решение серии вопросов по снижению стоимости;
  • ТЭ: Снижение массы, объемов установок, стоимости материалов, уменьшение времени на прогрев и оптимизация работы при пиковых нагрузках, создание инфраструктуры для новых топлив (водород, этанол, метанол и т.д.). В этом перечне ключевыми являются вопросы снижения стоимости протонной мембраны с $1000 за 1 кг до $10 и ниже, создание блоков с малым содержанием платины (в лабораторных условиях добились сокращения до 40 раз), разработка мембран, работающих при температуре 1500С (при данной температуре происходит прямое окисление метанола в зоне реакции без использования платины в качестве катализатора), решение вопросов смачиваемости мембраны (удержания воды в нужных количествах в зоне реакции).

Предполагается, что решение этих проблем даст следующие социальные и экономические эффекты:

  • экономические – высокий КПД обеспечит значительное снижение объемов потребления нефтепродуктов;
  • экологические – использование водорода в энергетике и на транспорте снизит уровень загрязнений на 50%;
  • энергетические – водород в энергетике США к 2010 г. обеспечит получение 10% электроэнергии от общего уровня ее потребления с увеличением КПД установок на 20%;
  • национальная безопасность – снизятся затраты на импорт нефти, равный 60 млрд. дол. в год (70% от этого импорта потребляется автомобильным транспортом).

В таблице приведены расчетные оценки интегрального эффекта от выхода на рынок автомобилей как гибридных, так и на ТЭ, и на АБ.

Проблема, по которой проводили оценку
2010 г.
2020 г.
Степень проникновения на рынок, %
22,2
38,8
Количество сэкономленной нефти (горючего), млрд. л.
18,9
75,6
Снижение вредных выбросов углеродистых соединений, млн. метрических тонн
5,8
26,8
Снижение затрат на энергоносители, млн. дол в ценах 1992 ф.г.
5,082
24,727
Количество новых рабочих мест, тыс. чел.
325
427

Очевидно, что к энергоустановкам (ЭУ) для мобильных автономных агрегатов (транспорт, средства механизации, автономные источники тепло-электроэнергии и др.), установленная мощность которых примерно в 5 раз превосходит мощность всех электростанций мира, особенно для имеющих мощность менее 500 кВт, предъявляются спецефические требования.

Здесь не будут рассматриваться энергоустановки, утилизирующие тепло для обогрева каких-либо объектов, т.к. эффективность использования энергии топлива для всех типов ЭУ практически одинаково и может достигать 85 – 90%. Поэтому рассматривать перспективу развития поршневых ДВС необходимо в двух аспектах:

  1. Как основной источник механической энергии.
  2. Как источник электроэнергии совместно с электрогенератором для гибридных (с АБ) транспортных средств и средств механизации.

Принципиальное различие этих двух направлений заключается в том, что для транспорта основной двигатель должен быть эффективен в широкой зоне режимов работы – практически во всей зоне, лежащей под внешней скоростной характеристикой.

Поэтому в первом случае необходимо идти на ряд компромиссов, эффективно использовать возможности управления, чтобы обеспечить экономичную, эффективную работу в широком диапазоне нагрузок.

Во втором случае необходимо настроить работу двигателя на два режима – номинальной и нулевой работы, а также обеспечить эффективную работу на режимах пуска.

Поршневой двигатель предназначен для получения механической энергии. Его эффективный КПД определяется как отношение мощности на выходном валу двигателя к энергии топлива введенного в единицу времени. Мощность на валу двигателя складывается из двух составляющих: мощности, полученной в результате внутрицилиндровых процессов и мощности, полученной за пределами рабочей камеры (использование избыточного давления выхлопных газов в дополнительной расширительной машине, использование тепла выхлопных газов для получения дополнительной механической работы в тепловом двигателе и др.). В данной работе интерес представляет лишь внутрицилиндровые процессы.

Современная парадигма развития поршневых ДВС предполагает, во-первых существование двух типов ДВС: с воспламенением от искры (или бензиновые) и воспламенением от сжатия (дизели). В обоих видах предпочтение отдается четырехтактному циклу. Граница размежевания этих двух видов проходит по степени сжатия: верхняя – со стороны бензиновых около 10, нижняя – со стороны дизелей около 15.

Это размежевание принципиально связано с организацией процессов подвода теплоты в цикле. Известно [1], что изохорный процесс подвода тепла при равных степенях сжатия имеет более высокий КПД, чем изобарный или смешанный. Но современная парадигма предполагает, что двигатели с искровым воспламенением (работающие на низкокипящих фракциях нефти) имеют к воспламенению уже подготовленную гомогенную смесь. Это условие требует специальных свойств топлив, обеспечивающих бездетонационную работу двигателя (она и ограничивает степень сжатия). Снижение степени сжатия в дизелях менее 15 приводит к потере преимуществ по эффективному КПД. Таким образом, рост эффективного КПД поршневого двигателя за счет внутрицилиндровых процессов возможен, в основном, за счет процесса подвода тепла, близкого к изохорному, и занятия зоны степеней сжатия = 10 ... 15.

Четырехтактные двигатели в настоящее время по установленной мощности имеют подавляющее превосходство перед двухтактными. Хотя очевидно, что двухтактные двигатели с подпоршневой продувкой рабочей камеры и таким же, как у четырехтактных двигателей, коэффициентом наполнения имеет существенные преимущества. Основное из них то, что в четырехтактном двигателе рабочая камера один оборот вала двигателя работает как продувочный насос, а второй – собственно как двигатель. Это приводит к двум эффектам: увеличению механических потерь и увеличению рабочего объема приблизительно в два раза по сравнению с двухтактными. Это, в свою очередь, приводит к существенному перерасходу материалов как двигателей, так и агрегатов, на которые они устанавливаются, что увеличивает нагрузку на добывающую и перерабатывающую промышленность (в том числе экологическую). Поэтому переход на двухтактный цикл дал бы существенные преимущества.

Однако считается, что двухтактные двигатели не имеют, во-первых, заметного преимущества перед четырехтактными по расходу воздуха в единицу времени, при равных рабочих объемах и частоте вращения, из-за низкого коэффициента наполнения и, во вторых, что для них характерна трудноустранимая токсичность выхлопных газов (в большей мере из-за особенностей смазки ЦПГ).

Конкуренция существует не только внутри вида (бензиновые и дизельные двигатели), но поршневые ДВС испытывают конкуренцию и со стороны энергоустановок с другими способами преобразования энергии. В частности, как видно из выдержек энергетической программы МЭ США, большие надежды возлагаются на топливные элементы (ТЭ). Их основными преимуществами считается высокий КПД преобразования химической энергии в электрическую и высокая экологическая чистота. В той же программе МЭ США в перспективе запланировано повысить КПД ЭУ с ТЭ до 51%, дизелей до 55%. Отсюда следует, что эффективный КПД не будет являться решающим фактором, ведущим к замене поршневого ДВС. Но может оказаться решающей экологическая проблема. Поэтому необходимо рассмотреть перспективу поршневых ДВС и с точки зрения экологической нагрузки.

Экологическое преимущество ТЭ относят, прежде всего, к работающим на чистом водороде. Поэтому представляет интерес сравнить условия, при которых поршневые ДВС, работающие, как и ТЭ, на водороде, могут выйти на такие же показатели экологичности. И могут ли выйти?

Очевидно, что наибольшие проблемы для получения экологически чистого поршневого ДВС представляет смазка ЦПГ и высокие температуры сгорания, способствующие образованию окислов азота.

Продуктами сгорания водорода в воздухе является вода. Поэтому, если решить проблему смазки водой ЦПГ, то одна из проблем получения экологически чистого ДВС устраняется.

Согласно теории Зельдовича Я.Б. скорость образования окиси азота определяется максимальной температурой и концентрацией кислорода и азота в зоне реакции. Окисление азота начинается при температурах 1500 К, а при температурах свыше 2300 К реакция протекает наиболее быстро [1].

Обеспечив, при использовании воды, снижение максимальной температуры цикла до температур порядка 1500 К, получим, что устраняется и вторая проблема экологически чистого ДВС.

Как показано в работе [2], при испытании стандартного двигателя СFR на водороде, наибольший индикаторный КПД и близкие к нулю выбросы окислов азота получаются при работе на бедных смесях ( 2,5) (рис.1). Это соответствует энергоподводу в цикле современных ДВС работающих на традиционных топливах.

Эти две возможности совершенствования поршневого двигателя показывают на то, что предполагаемые преимущества ТЭ не так существенны, а в совокупности с другими показателями (быстрота пуска, стоимость, динамические характеристики, удельные показатели по весу и габаритам и т.д.), поршневой двигатель вряд ли уступит свои позиции источникам на ином принципе преобразования химической энергии в механическую, в вышеуказанной зоне мощностей.


Рис.1. Зависимость индикаторного КПД и концентрации окислов азота от коэффициента избытка воздуха: 1 – концентрация NOx; 2 – индикаторный КПД

На кафедре ДВС УГАТУ ведутся работы по анализу возможности смены парадигмы развития поршневых ДВС. Основа современной парадигмы, как уже указывалось – это четырехтактный цикл и одновременное сосуществование двух типов ДВС (бензиновых и дизельных).

Выше отмечалось, что при одинаковых уровнях токсичности и коэффициентов наполнения, двухтактный цикл более выгоден, чем четырехтактный.

В работах [3, 4] показано, что при правильной организации газообмена, т.е. эффективном использовании волновых процессов в газовоздушном тракте, обобщенный коэффициент наполнения двухтактных ДВС практически не отличается от четырехтактного.

Допустимый уровень содержания NOx в ОГ обеспечивается непосредственным впрыском топливовоздушной смеси и смазкой ЦПГ водой. На рис.2 представлен двухтактный двигатель с ПДП, который успешно проработал более 10 часов при холодной прокрутке со смазкой водой и частоте вращения 5500 об/мин (более длительные испытания не проводились из-за отсутствия заметного износа).


Рис.2.

Существование двух различных типов двигателей (бензиновых и дизельных) ведет к серьезным последствиям для мирового хозяйства: требуются специальные топлива, смазки, технологии производства и ремонта и т.д. Поэтому актуально решение проблемы создания рабочего процесса, объединяющего лучшие качества двух существующих типов рабочих процессов и, к тому же, способного легко адаптироваться к любым товарным и возможным перспективным видам топлива. При этом процесс должен удовлетворять трем требованиям: 1) подвод теплоты в цикле близкий к изохорному; 2) степень сжатия оптимальная в диапазоне 10 – 15; 3) управление нагрузкой за счет подачи топлива.

На кафедре ДВС УГАТУ в результате более чем двадцатилетних поисковых работ определился путь создания такого рабочего процесса.

На рис. 3, 4 представлены характерные кривые изменения давления в рабочей камере экспериментального двухтактного двигателя со степенью сжатия 14 по углу поворота вала при сгорании бензина и дизельного топлива. Там же представлены кривые dp/d =f( ), характеризующие жесткость процесса сгорания.

Рис. 3. Экспериментальная диаграмма изменения давления Р (МПа) и dp/d (атм/град) от угла поворота коленчатого вала . Топливо – бензин.

Рис. 4. Экспериментальная диаграммы изменения давления Р (МПа) и dp/d (атм/град) от угла поворота коленчатого вала . Топливо – дизельное.

Обработка этих индикаторных параметров рабочих процессов экспериментального двигателя показало, что процесс подвода тепла характеризуется двумя этапами: с показателем сгорания Вибе [5] m = 3 на первом этапе (данное m типично для бензиновых двигателей) и m менявшемся в экспериментах с различными топливами и на различных режимах от 0,5 до 1 (типичные m для дизельных двигателей).

Такого управляемого двухэтапного сгорания удалось добиться за счет вдува компрессор-форсункой богатой топливовоздушной струи вблизи верхней мертвой точки [6]. Смесь поджигалась искрой на боковой поверхности струи, вытекающей из сопла компрессор-форсунки. Этим обеспечивался первый этап сгорания, характерный для бензиновых двигателей. В результате повышения давления и температуры в несгоревшей части топливовоздушной смеси (ТВС), обусловленного сгоранием части ТВС, подожженной искрой, на втором этапе происходит многоочаговое воспламенение и сгорание, характерное для рабочего процесса дизельного двигателя. Это хорошо прослеживается на рис. 3 и 4 по характерным флуктуациям на кривых давления и dp/d . Причем на бензиновом топливе они меньше – т.к. бензин хуже самовоспламеняется, чем дизельное топливо. Такой процесс подвода тепла легко поддается управлению за счет изменения угла опережения впрыска и момента подачи искры.

Таким образом, проведенные поисковые исследования показывают, что существует потенциальная возможность сохранения лидирующего положения поршневых ДВС в области мощностей до 1000 кВт в составе мобильных автономных энергоустановок, при реализации новой парадигмы их развития, характеризующаяся следующими концептуальными положениями:

  1. Цикл двигателя двухтактный с подпоршневой продувкой.
  2. Эффективное использование волновых газодинамических процессов в газовоздушном тракте для воздухоснабжения.
  3. Смазка и подавление окислов азота за счет использования воды.
  4. Вдув обогащенной топливовоздушной смеси и воспламенение ее вблизи верхней мертвой точки.
  5. Управление процессом подачи и воспламенения топливовоздушной смеси.
  6. Реализация процесса подвода тепла близкого к изохорному при степенях сжатия 10...15.

Список литературы

  1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М., «Машиностроение» 1983.- с. 143 – 144.
  2. Мак-Лиан В.,де Боер П., Фагельсон Дж. Водород в качестве топлива для поршневых двигателей. Перспективные автомобильные топлива. М., «Транспорт» 1982.- с. 249 – 267.
  3. Рудой Б.П. Оптимальная схема газовоздушного тракта четырехтактного двигателя внутреннего сгорания .// М., «ИВУЗ. Машиностроение», №9, 1976.
  4. Рудой Б.П., Хисматуллин К.А. Применение обобщенных переменных для определения коэффициента наполнения двухтактных ДВС с ПДП и выпускной сиситемой.// Межвузовский научный сборник №17. Вопросы теории и расчета тепловых двигателей. Уфа, УГАТУ, 1996.
  5. Вибе И.И. «Новое о рабочем цикле ДВС». М. Машгиз, 1962.- с 272.
  6. Rudoy B., Galieve R. The air-fuel pulse jet inflamation.// The second scientific-technical seminar on gas turbine engines. Istambul, 1996.- p. 38 – 40.
Последние опубликованные статьи

Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей экономики:

Как продвигать российские научные журналы в международные наукометрические базы // 11 февраля 2015

Государство и право. Юридические науки:

Защита исключительных прав при осуществлении внешнеэкономической деятельности // 17 января 2014

Общие комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей экономики:

Предпосылки создания энергомашиностроительного кластера в Республике Башкортостан // 17 октября 2011

СТАТЬИ ПО РАЗДЕЛАМ НАУКИ И ТЕХНИКИ:

ПОИСК ПО ВСЕМ БАЗАМ
ПРИГЛАШЕНИЕ К СОТРУДНИЧЕСТВУ
 
НАШИ УСЛУГИ
Главная
О проекте
Анкеты
Семинары
Статьи
Форум
Контакты

Республиканский информационный банк данных наукоемких технологий