ТЕМА 1. ТРАДИЦІЙНІ АВТОТРАНСПОРТНІ
ЕНЕРГОУСТАНОВКИ
-
Енергетичні установки. Вимоги до енергетичних установок. Напрямки підвищення ефективності й екологічної безпеки транспортних енергетичних установок.
-
Традиційні двигуни внутрішнього згоряння. Коротка історія розвитку ДВЗ. Класифікація ДВЗ. Основні визначення та параметри двигуна. Робочі цикли ДВЗ. Індикаторна діаграма ДВЗ. Переваги, недоліки.
-
Напрямки вдосконалення традиційних двигунів внутрішнього згоряння. Адіабатний дизель. Системи живлення з впорскуванням палива. Акумуляторні паливні системи (Common Rail). Системи наддуву.
-
Засоби і системи зниження токсичності. Палива для ДВЗ. Вимоги до палив. Бензини. Дизельні палива. Газоподібні палива. Альтернативні палива.
ЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА
Енергетична установка - комплекс машин, механізмів, джерел енергії, систем і пристроїв:
-
якій приводить транспортний засіб у рух;
-
забезпечує всіх споживачів живлення енергією.
Вимоги до енергетичних установок
-
Підвищення потужності та крутного моменту при зниженні металомісткості, зменшенні маси, габаритних розмірів.
-
Підвищення коефіцієнта корисної дії.
-
Підвищення надійності та довговічності.
-
Низька собівартість та технологічність виготовлення.
-
Низькі експлуатаційні витрати.
-
Простота обслуговування.
-
Невеликий рівень шуму
-
Зменшення викидів шкідливих речовин, які забруднюють навколишнє середовище та негативно впливають на організм людини.
-
Застосування нових джерел енергії з високим коефіцієнтом корисної дії, модернізація існуючих джерел енергії шляхом застосування електронного керування живленням, наддуву, удосконалення систем впорскування палива, газорозподільного механізму, використанням накопичувачів енергії тощо.
-
Застосування електронних автоматичних комплексних систем керування джерелами та перетворювачами енергії і автомобілем.
ТРАНСПОРТНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ
Транспортні енергетичні установки на базі поршневих ДВС, газових, парових, парогазових турбін і інших двигунів є основними джерелами одержання механічної роботи на Землі, яка використовується безпосередньо або перетворюється в інший вид енергії.
Транспортні енергоустановки є основними споживачами природної вуглеводневої сировини й атмосферного повітря й головними джерелами забруднення навколишнього середовища.
Очікуване виснаження запасів природних вуглеводнів вимагає від світового співтовариства вирішення двох очевидних проблем:
- пошук альтернативних видів палива й поновлюваних джерел енергії й перехід на їхнє використання;
- підвищення ефективності (потужності, паливної економічності, надійності) існуючих енергетичних установок для одержання виграшу в часі у зв'язку з необхідністю вирішення проблем виснаження природних запасів і забруднення навколишнього середовища з метою здобути наукові знання, на основі яких можна буде перейти до нових видів транспортної енергетики.
Із усього безлічі двигунів, що становлять основу транспортних енергетичних установок, найвищими значеннями ефективного ККД (е) мають дизельні ДВЗ - 0,45÷0,48. Для установок з розгорнутими системами утилізації теплоти е досягає 0,55.
Проте до 40 % від теплоти, отриманої при згорянні палива, відводиться в навколишнє середовище через систему охолодження й з відпрацьованими газами, що становить так звані теплові втрати.
Таким чином, транспортні енергетичні установки навантажують навколишнє середовище:
- надлишковою теплотою;
- токсичними сполуками в відпрацьованих газах,( NOх, CO, CmHn, C, S і ін.);
- шумом і вібраціями;
- у величезних кількостях поглинають атмосферне повітря.
ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС ДВИГУНА
Складові теплового балансу
|
Частка в балансі %
|
Двигун з іскровим запалюванням
|
Дизель
|
Теплота перетворена в корисну роботу
|
32
|
45
|
Теплота відведена в систему охолодження:
|
|
|
|
|
6
|
8
|
|
|
7
|
6
|
|
|
15
|
11
|
Загальна
|
28
|
25
|
Теплота, яка була відведена з відпрацьованими газами й випромінюванням
|
40
|
30
|
Разом
|
100
|
100
|
Перерозподіл енергії в ДВЗ
НАПРЯМКИ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ Й ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ ТРАНСПОРТНИХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ УСТАНОВОК
Найбільш раціональними напрямками підвищення ефективності й екологічної безпеки транспортних енергетичних установок, з погляду сучасних науково-технічних можливостей слід вважати наступні:
-
адіабатизація робочих процесів у ДВЗ і їх комбінування із силовими турбінами й (або) двигунами Стірлінга, які утилізують теплоту, яка відводиться від головних двигунів;
-
застосування гібридної силової установки;
-
використання у ДВЗ нових типів робочих процесів з високими значеннями е при порівняно низьких максимальних значеннях температури циклу;
-
розробка нових конструкцій двигунів.
АДІАБАТИЗАЦІЯ
ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
Адіабатизація ДВЗ і їх комбінування з іншими двигунами - розробка комбінованої установки на основі адіабатного двигуна, у якого не було б непродуктивних втрат теплоти в систему охолодження.
Тут роботи йдуть паралельно по двом напрямкам:
-
збільшення енергії відпрацьованих газів, за рахунок перерозподілу тепловідводу від робочого тіла при відсутності системи охолодження;
-
використання енергії відпрацьованих газів, у силовій турбіні низького тиску для одержання додаткової потужності на валу й використання енергії відпрацьованих газів, у силовій турбіні або двигуні із зовнішнім підведенням теплоти для тієї ж мети.
Основні теплоізольовані компоненти експериментального двигуна - головка поршня, вогневе днище кришки циліндра, верхній пояс втулки й випускні канали, для яких складно підібрати матеріали, що задовольняють усім пропонованим до них вимогам. Крім того, ще однієї проблемою адіабатного двигуна є проблема мащення, яке повинна витримувати високу температуру на поверхні циліндра (480 °С замість звичайних 180÷205 °С).
Для рішення цієї проблеми розглядається також варіант з керамічними підшипниками кочення, для поршневого пальця й колінчастого валу, які не потребують мащення.
Таким чином, створення працездатного адіабатного двигуна з достатньо високим ресурсом, залежить від успіхів матеріалознавства, й на сучасному етапі розвитку науки й техніки не може повністю розв'язати ці проблеми.
АДІАБАТНИЙ ДВИГУН
Адіабатний двигун – це тепловий двигун, термодинамічний процес якого близький до адіабатного – між системою і навколишнім середовищем відсутній теплообмін. Елементи конструкції адіабатного двигуна повинні бути виготовлені з жароміцних матеріалів, а сам він покритий теплоізолюючою (адіабатною) оболонкою.
Відрізняється підвищеною середньою температурою газів у циліндрі, температурою деталей, що утворюють камеру згоряння, і температурою продуктів згоряння. Для утилізації енергії продуктів згоряння використовується силова газова турбіна, потужність якої передається на вал відбору потужності (колінчатий вал). Для виготовлення деталей, що працюють при високій температурі, застосовуються жароміцні матеріали (керамічні). Має високий ККД і низьку питому витрату палива - до 150 г/(квтгод).
В адіабатного двигуна циліндр і його головка не охолоджуються, тому втрати теплоти за рахунок охолодження відсутні. Стиснення і розширення в циліндрі відбуваються без теплообміну зі стінками, тобто адіабатически, аналогічно циклу Карно. Практична реалізація такого двигуна пов'язана з наступними труднощами.
Для того щоб теплові потоки між газами й стінками циліндра були відсутні, необхідна рівність у кожний момент часу температури стінок температурі газів. Така швидка зміна температури стінок протягом циклу практично неможливо. Можна було б реалізувати близький до адіабатного цикл, якщо забезпечити температуру стінок протягом циклу в межах 700-1200 °С.
Схема адіабатного двигуна
|
Поперечний розріз адіабатного дизеля “Камминс”
|
1 - блок циліндрів; 2 - складений поршень; 3 - гільза циліндра; 4 - тепло ізолююча прокладка блоку циліндрів; 5 - вставка між головкою й блоком циліндрів; 6 - тепло ізолююча прокладка головки циліндрів; 7 - тепло ізолююча шайба камери згоряння; 8 - нижнє ущільнення тепло ізолюючої шайби; 9 - сідло випускного клапана; 10 - керамічна ізоляція випускної труби; 11 - випускний клапан; 12 - насос-форсунка; 13 - тепло ізолюючий стакан насос форсунки; 14 – сідло впускного клапана.
ЗАСТОСУВАННЯ ГІБРИДНОЇ СИЛОВОЇ УСТАНОВКИ
Відмінною особливістю гібридної силової установки є використання двох і більше джерел енергії і відповідним їм двигунів, що перетворюють енергію в механічну роботу.
Незважаючи на різноманіття джерел енергії (теплова енергія бензину або дизельного палива, електроенергія, енергія стисненого повітря, енергія стисненого (зрідженого) газу, сонячна енергія, енергія вітру та ін) в промисловому масштабі в гібридній силовій установці використовується комбінація двигуна внутрішнього згоряння та електродвигуна.
Головна перевага гібридної силової установки полягає в суттєвому скороченні витрати палива і викидів шкідливих речовин в атмосферу, яке досягається:
-
узгодженій роботі ДВС і електродвигуна;
-
застосуванням акумуляторів великої місткості і суперконденсаторів;
-
використанням енергії гальмування, тобто рекуперативне гальмування, перетворює кінетичну енергію руху в електроенергію.
Необхідно відзначити, що більший ефект від гібридної силової установки спостерігається при русі в міському циклі, який характеризується частими зупинками, роботою в режимі холостого ходу. При русі з постійною високою швидкістю (приміський цикл) гібридні силові установки не так ефективні.
Залежно від характеру взаємодії двигуна внутрішнього згоряння та електродвигуна розрізняють такі схеми гібридних силових установок:
-
послідовна схема;
-
паралельна схема;
-
послідовно-паралельна схема.
ВИКОРИСТАННЯ У ДВЗ
НОВИХ ТИПІВ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ
Використання у ДВЗ нових типів робочих процесів з високими значеннями е, є рішенням, яке найбільш повно відповідає завданню підвищення ефективності й екологічної безпеки транспортної енергетики.
В області автотракторних ДВЗ положення слід вважати відносно нормальним, що викликане постійною жорсткістю екологічних вимог (планомірне введення в дію екологічних норм Євро-2, -3, -4 і т.д.) і адекватною відповіддю на них з боку виробників двигунів.
Поліпшення параметрів і характеристик суднових двигунів здійснені за допомогою непринципових, з погляду термодинаміки, конструктивних удосконалень, таких як підвищення ступеня наддування, електронне керування упорскуванням палива й т.п., а також за рахунок застосування нових конструкційних матеріалів, підвищення якості палив і мастил, удосконалювання технології механічної обробки деталей і зборки двигунів.
РОЗРОБКА НОВИХ КОНСТРУКЦІЙ ДВИГУНІВ
Розробка нових конструкцій двигунів - процес трудо- і капіталомісткий.
Використання в проектованому двигуні більшості сучасних тенденцій двигунобудування спричиняє удорожчанню агрегатної одиниці, яка випускається, внаслідок чого конкурентоспроможність такого двигуна дещо знижується, однак це зниження компенсується зниженням експлуатаційних витрат на двигун. Для споживача будь-якої конкретної продукції важливе співвідношення «ціна - якість». Якість двигуна визначається надійністю конструкції в цілому й окремих елементів і систем, а також економічністю й енергетичною ефективністю, що багато в чому визначається якістю робочого процесу, що протікає в циліндрі двигуна.
Щороку конструктори пропонують безліч моделей двигунів
Наприклад,
-
безкривошипний безшатунний двигун,
-
безшатунні конструкцій ДВЗ,
-
двигун Ванкеля,
-
двигун Кушуля,
-
кульовий двигун Hüttlin (Хюттлин),
-
революційний двигун DiesOtto фірми Мерседес, що поєднує в собі особливості дизельних і бензинових двигунів.
-
роторно-хвильовий двигун,
-
удосконалені роторно-поршневі ДВЗ,
-
здійснюють спроби розвивати концепції шторкового й гільзового газорозподілу і ін.
Особливості, що обмежують широке застосування в транспортних енергетичних установках нових конструкцій двигунів:
Аналізуючи характеристики ДВЗ, у яких реалізуються перераховані вище конструкції й пропозиції, можна виділити наступні їхні особливості, що обмежують їхнє широке застосування в транспортних енергетичних установках:
-
складність конструкції, і, як наслідок, зниження надійності й складність технології виготовлення деталей і вузлів;
-
застосування нових або існуючих оригінальних, а отже, дорогих конструкційних матеріалів;
-
узконаправленная адаптивність ДВЗ для конкретного типу енергетичної установки;
-
застосування нових, найчастіше більш дорогих видів палива й мастильних матеріалів, виключення принципу багатопаливности;
-
рідка комбінація високої економічності й екологічної безпеки в одному агрегаті;
-
складність в обслуговуванні й експлуатації, потреба в підвищеній кваліфікації обслуговуючого персоналу.
У цей час у двигунобудуванні не відмічається яких-небудь спроб конструкторів і інженерів скільки-небудь поліпшити параметри проектованих ними двигунів з боку термодинаміки робочих процесів.
НАПРЯМИ ВДОСКОНАЛЕННЯ ТРАДИЦІЙНИХ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
-
Підвищення паливної економічності та потужності двигуна шляхом впровадження змінного ступеня стискання робочої суміші, наддуву повітря, електронних систем керування впорскуванням палива, використання матеріалів з покращеними якостями та інших новітніх технологій.
-
Покращення екологічних показників.
-
Зменшення металоємкості та собівартості виготовлення.
-
Подальше застосування більш економічних дизелів з електронними системами керування впорскуванням палива.
-
Застосування двигунів, які ефективно працюють на різних видах палив та створення гібридних силових установок.
-
Підвищення ресурсу роботи та надійності.
-
Зменшення експлуатаційних витрат, зручність обслуговування та підвищення міжремонтного ресурсу.
|