Содержание
ДВС или электричество. Какие двигатели будут работать в машинах будущего? | Об автомобилях | Авто
Владимир Гаврилов
Примерное время чтения: 4 минуты
3436
Shutterstock.com
Многие страны Европы и мира декларируют постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Так, премьер-министр Дании Ларс Лекке Расмуссен в октябре 2018 года заявил, что к 2030 году в стране планируется ввести ограничения на продажу новых автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями. А уже к 2050 году Дания собирается полностью вывести транспорт с ДВС из эксплуатации. Франция, Швеция, Норвегия придерживаются тех же позиций и рассматривают вопрос о поэтапном отказе от привычных сейчас моторов к 2040 году. В Великобритании вообще запланирован отказ от ДВС к 2032 году. На фоне этих громких заявлений прагматики ставят вопрос: а на чем будет ездить человечество? Несмотря на многие преимущества электромотора, пока нет ни одной компании, которая бы получала прибыль от производства электрокаров.
Слишком короткие пробеги на одной зарядке, чувствительность к низким температурам и высокая зависимость от сложной инфраструктуры ставят под вопрос их массовую эксплуатацию. Гибридные установки с функцией подзарядки, конечно, могут эксплуатироваться более широко и заменить машины с ДВС, но у владельцев таких транспортных средств рано или поздно встает вопрос: а зачем переплачивать за дополнительный электромотор, если он используется лишь в 5% от времени поездки? На этом фоне очень обнадеживающе звучит признание технического директора Volkswagen AG Маттиаса Рабе: что хоронить ДВС пока рано. Потенциал их усовершенствования еще не исчерпан.
Недостаточное сгорание топлива
Главной причиной, по которой крупные автоконцерны переходят к гибридным установкам, являются экологические требования по выбросам диоксида углерода (CO2). Еще в 2018 году должен был вступить в силу стандарт, по которому все выпускаемые автомобили не должны в среднем превышать значения выбросов в 95 гр/км.
Пока технологический уровень не позволил достигнуть приемлемых результатов, и новый стандарт отложен до 2021 года с перспективой продления моратория до 2025 года. А к 2030 году средние показатели выбросов СО2 должны снизиться до 66 гр. Достигнуть заявленного значения можно только при периодическом выключении мотора и использовании электродвигателя.
Однако дополнительный мотор — это всегда увеличение веса и снижение динамических характеристик. Кроме того, согласно анализу эксплуатации гибридных машин, их владельцы редко ездят на электричестве. Почти всегда бензиновый мотор находится в работе, а электрический двигатель необходим лишь для сертификации, чтобы на стендах помогать машинам показывать заявленные в экологических стандартах показатели.
По словам Маттиаса Рабе, сейчас есть возможность обеспечить требования по выбросам CO2 и без довеска в виде дополнительного электродвигателя. Правда, для этого потребуется существенно переработать конструкцию двигателя внутреннего сгорания и разработать новые сорта синтетического топлива.
Что это за технологии?
Авиационные технологии
Вредные выбросы появляются в выхлопе в результате неполного сгорания топлива. Сейчас в современных моторах смесь сгорает только на 75%, а ее остатки выбрасываются в систему выпуска и догорают в катализаторе, в результате чего пары газа проходят через сложные преобразования. Чтобы сократить количество вредных веществ, необходимо обеспечить качественное сгорание смеси с увеличением КПД мотора.
Такая технология у немцев уже есть. Называется она Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC), то есть «встречные поршни, встречные цилиндры». Взята она из недавнего прошлого авиации. К примеру, в немецких «Юнкерсах» применялись двигатели со встречными поршнями, которые обеспечивали лучшее заполнение камер сгорания и газоотвод, чем у обычных четырехтактных моторов.
В итоге сгорание топлива улучшается. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, а в моторе с технологией OPOC — турбонаддув. Для лучшей работы на низких оборотах разогнать турбину помогает внешний электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.
При этом мотор OPOC состоит из модулей, из которых можно собирать многоцилиндровые агрегаты, комбинируя блоки и соединяя их электромагнитными муфтами. Для экономии топлива один или несколько модулей можно отключать.
Синтетическое топливо
Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.
Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы. Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.
В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.
двигателиавтомобили
Следующий материал
Новости СМИ2
Двигатель будущего — 17.07.2019 — Kursiv Media Казахстан
В рамках усилий стартапов, автопроизводителей и инженеров по переосмыслению почти столетней технологии компания Aquarius Engines разрабатывает суперэффективный бензиновый двигатель весом меньше 10 кг.
РОШ-ХА-АИН, Израиль. Еще в 2014 году Шауль Яакоби занимался тем, что целыми днями проводил оценку поврежденных автомобилей для страховых компаний. Но по ночам он работал в мастерской в пригороде Тель-Авива, разрезая и собирая куски алюминия. Изобретатель-самоучка с неполным средним образованием, он вырос в кибуце, где выращивали цитрусы, и последние 25 лет своей жизни работал страховым оценщиком.
Однако он также является обладателем нескольких патентов на различные изобретения, начиная от систем очистки воды до защищенных от кражи автомобильных ключей. Теперь он стремится создать легкий, дешевый и эффективный автомобильный двигатель, который потреблял бы меньше топлива и был бы более экологичным в сравнении с другими современными двигателями.
«Когда есть ощущение, что идея по-настоящему крутая, нужно просто это сделать. Поэтому я купил алюминиевый блок и разрезал его вручную, чтобы построить собственный двигатель», – говорит Яакоби.
После нескольких месяцев работы он передал продукт своим деловым партнерам, Галу Фридману, ветерану технологического маркетинга, и Ариэлю Горфунгу, промышленному инженеру. В 2014 году они основали компанию Aquarius Engines с целью вывести высокоэффективный бензиновый двигатель Яакоби на автомобильный рынок, где вопросам экологии уделяется все больше внимания. Компания разработала уже пятое поколение своего двигателя, который был успешно испытан в лаборатории.
На автомобилях, впрочем, испытания не проводились.
Получив название в честь идеального будущего, о котором говорится в популярной песне «Эра Водолея», компания Aquarius привлекла более $25 млн. Одними из инвесторов стали руководители Mobileye, израильского стартапа, специализирующегося на технологиях для беспилотных автомобилей. В 2017 году эту компанию, где работает 42 человека в Израиле, Германии и Польше, выкупил Intel. Сегодня Aquarius ожидает, что ее продукт появится на рынке в течение ближайших двух лет и найдет применение как в автомобилях, так и в генераторах электроэнергии и дронах.
Aquarius не единственная компания, которая стремится модернизировать двигатель внутреннего сгорания. Автопроизводители находятся под мощным давлением со стороны правительств и потребителей, требующих, чтобы машины выделяли как можно меньше выхлопных газов. В то же время у электромобилей с батарейным питанием есть серьезные ограничения – это высокая стоимость производства, небольшая дальность пробега и необходимость создания инфраструктуры, в том числе для производства электроэнергии для их зарядки.
По данным отчета McKinsey & Co за март, продажи электромобилей растут примерно на 60% в год, но в целом их доля менее 5% всех продаж новых автомобилей в большинстве стран мира, и для автопроизводителей они являются убыточными.
«Когда появились электромобили, все надеялись, что это и есть решение всех проблем, но все оказалось не так просто», – говорит Джон Б. Хейвуд, почетный профессор машиностроения Массачусетского технологического института, изучающий вопросы производства экологически чистой энергии и проблемы транспорта.
После многих лет, когда двигатель внутреннего сгорания считался морально устаревшим, ряд стартапов, автопроизводителей и ученых-исследователей начали работать над усовершенствованием этой вековой технологии. Согласно отчету JPMorgan Chase & Co., к 2030 году двигатели внутреннего сгорания составят 40% мирового автомобильного рынка, в то время как 23% проданных автомобилей будут иметь гибридные установки, работающие на электричестве и другом топливе, например, на бензине.
«Сегодня очевидно, что у двигателя внутреннего сгорания большое будущее, поскольку он обладает огромным потенциалом повышения эффективности и сокращения выбросов», – отмечает Леонид Тартаковский, руководитель лаборатории двигателей внутреннего сгорания Израильского технологического института «Технион».
Mazda Motor заявила, что уже осенью начнет отгрузки первых партий автомобилей с системой зажигания Skyactiv-X, которая, по данным компании, в некоторых ситуациях способна повысить эффективность двигателя на 20–30%. Кроме того, там разрабатываются и другие модели. О том, что в 2018 году начался выпуск автомобилей с двигателями с переменной степенью сжатия объявила и Nissan Motor. По сообщениям компании, расход топлива на таких машинах ниже примерно на 30%. Кроме того, все больше автопроизводителей применяют турбонагнетатели, которые повторно используют полученное в ходе работы двигателя тепло, а также двигатели, отключающиеся на холостом ходу.
Научно-исследовательское подразделение Toyota Motor разрабатывает поршневой двигатель. (Представитель компании отказался сообщить детали). Другая компания, Achates Power из Сан-Диего, совместно с производителем двигателей Cummins работает над облегченным оппозитно-поршневым двигателем для американской военной техники. По сообщению Achates, она также сотрудничает с еще одной компанией с целью интеграции оппозитно-поршневого двигателя, разработанного в рамках гранта Министерства энергетики США в размере $9 млн, в гражданский пикап. Еще одна американская компания Pinnacle Engines из Сан-Карлоса, штат Калифорния, согласно указанной на ее сайте информации, разрабатывает двигатели для скутеров, мотоциклов, автомобилей и промышленного использования и ориентирована на азиатский рынок.
Последняя версия двигателя Aquarius весит всего 22 фунта (меньше 10 кг), вес обычного двигателя – 250 фунтов (около 113 кг). Для сравнения, в новом двигателе всего одна движущаяся часть – это двигающийся в горизонтальной плоскости поршень (выдающий 43 лошадиные силы) вместо 20 аналогичных деталей под капотом среднестатистического автомобиля.
Как утверждает Яакоби, который в Aquarius является техническим директором, такой двигатель потребляет на 20% меньше топлива, чем стандартный автомобильный двигатель внутреннего сгорания. Дальнейшие изменения в системе впрыска топлива могут увеличить эту разницу до 30%, отмечает он. Поскольку между поршнем и частями двигателя нет трения, то он не требует смазки в виде моторного масла, что снижает затраты на техническое обслуживание.
Последняя версия двигателя Aquarius имеет только одну движущуюся часть. Фото: David Katz
Сам двигатель представляет собой линейную силовую установку со свободным поршнем, а это означает, что он вырабатывает электроэнергию при сжигании топлива, а не производит ее путем вращения привода генератора, как это происходит в обычном автомобильном двигателе. По словам представителей компании, полученное электричество можно использовать в качестве основного источника энергии для питания двигателя в традиционном автомобиле либо в качестве резервного зарядного устройства для электромобиля, что может увеличить пробег на одной зарядке.
«Будет ли это двигатель для самого автомобиля или зарядное устройство, для него везде найдется место», – говорит Фридман, директор по маркетингу Aquarius.
Свободно-поршневые двигатели появились в начале ХХ века и использовались в качестве электрогенераторов на морских судах. Однако к 1950-м годам в морском секторе их практически полностью вытеснили дизельные двигатели, рассказывает Тони Роскилли из Ньюкаслского университета, специализирующийся на свободно-поршневых двигателях. «Теперь интерес к ним возник вновь», – отметил он.
Основная проблема линейно-поршневых двигателей – невозможность обеспечить полный контроль за процессами впрыска топлива и выброса выхлопных газов, что часто приводит к повышенному уровню несгоревших углеводородов в выхлопе. А именно этот показатель стремятся снизить регуляторы, говорит Грегори В. Дэвис, директор лаборатории исследований современных двигателей в Университете Кеттеринга во Флинте, штат Мичиган.
«Если они смогут при помощи компьютерных технологий преодолеть эту проблему и научатся контролировать поток газа и воздуха, то, возможно, мы увидим, как автопроизводители переходят на двигатели такого типа. Потенциал для повышения эффективности здесь действительно высокий», – комментирует Дэвис.
По его словам, если использовать дополнительные цилиндры со свободными поршнями, то это значительно увеличит мощность такого двигателя.
Тем не менее улучшенный двигатель внутреннего сгорания не является панацеей.
«Двигатель внутреннего сгорания, даже с существенными улучшениями, не может достичь того уровня, которого хотят регуляторы, – считает Рассел Хенсли, глава Центра транспорта будущего компании McKinsey. – Именно поэтому мы видим инвестиционную привлекательность электромобилей».
По меньшей мере девять стран объявили о том, что в будущем запретят продажу дизельных и бензиновых двигателей, многие другие страны, в том числе США, пытаются стимулировать владельцев электромобилей, предлагая им бесплатные парковки и налоговые льготы.
Значительное число руководителей компаний-автопроизводителей считают, что бензиновые двигатели достигли пика своей эффективности и, чтобы соответствовать более жестким экологическим правилам, больше ресурсов выделяют на электромобили.
По словам Роскилли, еще одно серьезное препятствие на пути изменения конструкции автомобильного двигателя заключается в том, что автопроизводителям придется переделывать сборочные линии и сами автомобили, чтобы новые двигатели могли быть использованы в качестве основного источника энергии. Иными словами, двумя главными причинами того, почему за долгие десятилетия автомобили изменились относительно несильно, является сложность вопроса и необходимость прежде доказать, что игра стоит свеч.
«Когда у вас есть что-то, что меняет правила игры, воплотить это в жизнь всегда непросто. Потребуются большие инвестиции, чтобы довести двигатель до стадии производства и установки в автомобилях», – говорит Роскилли.
Однако, по словам экспертов, усилившееся давление с целью сокращения выбросов и, как следствие, рост бюджетов на исследования и разработки начали менять отношение отрасли к этой теме.
В Aquarius прекрасно осознают все трудности и рассматривают другие возможные области применения своего продукта, говорит Фридман. Начиная с 2020 года, Aquarius планирует устанавливать свои двигатели в электрогенераторах в отдаленных местах, включая базовые станции сотовой связи в Канаде, Европе и Азиатско-Тихоокеанском регионе.
По словам Хейвуда, чтобы сократить выбросы углекислого газа в выхлопе автомобилей, необходимо много инноваций, в том числе более эффективные двигатели внутреннего сгорания, транспортные средства с батарейным питанием и более чистое топливо.
«Изменить суть легкового автомобиля – весьма амбициозная задача. Но когда кто-то пытается изменить то, что было очень успешным, нужно помнить, что у всех альтернатив есть своя ахиллесова пята», – говорит он.
Гал Фридман, председатель и директор по маркетингу; Майя Гоник, руководитель отдела развития бизнеса; Ариэль Горфунг, исполнительный директор компании – в штаб-квартире Aquarius в пригороде Тель-Авива.
Фото: David Katz
12 силовых технологий, которые повысят эффективность автомобилей будущего
Наши автомобильные эксперты выбирают каждый продукт, который мы представляем. Мы можем зарабатывать деньги на ссылках на этой странице.
Автор
Сэм Абуэльсамид
Создано Автомобиль и водитель для Toyota
На протяжении большей части 130 лет существования поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на углеводородном топливе, он удерживал эффективную монополию на автомобильном рынке. движение. Пар и электроэнергия не были настоящими конкурентами очень долго после начала 20-го века. На самом деле ДВС был настолько доминирующим, что, если сложить совокупные продажи всех альтернатив, они по-прежнему составляют лишь крошечную долю мировых продаж ДВС за один год. ДВС сохранил свои лидирующие позиции благодаря высокой удельной мощности, практичности и низкой стоимости; и по этим причинам он не исчезнет в ближайшее время.
Однако практические реалии мира, в котором мы живем, приведут к большим изменениям в ближайшие десятилетия, чем мы видели с момента перехода от лошади к автомобилю.
1 из 11
1. 48-вольтовые электрические системы: электрические приводы вспомогательных устройств
Практические реалии глобальных инвестиций в производственную и заправочную инфраструктуру означают, что двигатель внутреннего сгорания (ДВС), вероятно, будет доминирующей силовой установкой еще для нескольких десятилетия. Одной из ключевых технологий, которая поможет ДВС стать более эффективными, является 48-вольтовая электрическая система. Большинство современных двигателей приводят в действие генераторы переменного тока, насосы охлаждающей жидкости, масляные насосы и компрессоры кондиционера механически через ремень или напрямую, и они, как правило, работают непрерывно. Обычные автомобильные 12-вольтовые электрические системы имеют максимальную электрическую мощность от 2 до 3 кВт, и с сегодняшним широким использованием электронных систем управления двигателем, шасси и кузовом, а также удобствами для животных и информационно-развлекательными функциями почти все это используется.
По мере добавления новых электрических функций, таких как полуавтономные или полностью автономные системы, потребуется больше электроэнергии. Переход на мощность 10 кВт, обеспечиваемую 48-вольтовыми генераторами, позволит этим новым функциям и современным механическим приводам аксессуаров перейти на электричество. Это уменьшит паразитные нагрузки на двигатели и потенциально повысит экономию топлива примерно на 10 процентов. Безумно сложные Bentley Bentayga за 231 825 долларов и Audi SQ7 TDI с электрическим нагнетателем сегодня имеют 48-вольтовые электрические подсистемы, но ожидается, что в ближайшие годы они станут массовыми.
Continental
2 из 11
2. 48-вольтовые электрические системы: «мягкие гибриды»
Ранние попытки создания так называемых мягких гибридных систем, особенно от General Motors, в значительной степени были встречены зевотой со стороны покупателей автомобилей . Комбинируя аккумуляторы с более низким напряжением и более слабые двигатели, чем те, что Toyota устанавливала в Prius, этим системам удалось достичь гораздо меньшего прироста эффективности, но при этом они стоили почти столько же.
Теперь инженеры ожидают, что появление 48-вольтовых электрических систем позволит создавать новые «мягкие» гибриды, обеспечивающие 70-процентное улучшение по сравнению с гибридом в стиле Toyota всего за 30 процентов стоимости. Поскольку те более ранние мягкие гибриды работали от 100 до 170 вольт, им по-прежнему требовались все дополнительные функции безопасности любой системы, которая превышает 60 вольт. С 48-вольтовой электрической архитектурой новые мягкие гибриды могут использовать более тонкую проводку и более дешевые разъемы, при этом обеспечивая некоторое рекуперативное торможение, повышение мощности и расширенные возможности автоматического пуска и остановки.
3 из 11
3. Расширенная деактивация цилиндров
Многие автопроизводители осознают опасность выхода на рынок первыми, когда технология еще не готова.
Для модели 1981 года компания Cadillac представила новый инновационный вариант двигателя V-8, который мог автоматически отключать два или четыре цилиндра.
В сочетании с дроссельным впрыском топлива и чрезвычайно грубой электроникой V-8-6-4 был далек от успеха. Сегодня отключение цилиндров стало обычным делом и, как правило, незаметно для водителя. В ближайшие годы дополнительные датчики и сложные алгоритмы управления позволят двигателям работать большую часть времени при меньшем числе цилиндров, чем их полный комплект. К концу этого десятилетия GM и Delphi, лицензируя технологию у стартапа «Тульские технологии», рассчитывают получить двигатели V-8 с усовершенствованной переменной деактивацией цилиндров. Это означает, что как количество отключенных цилиндров (остается всего два активных в условиях малой нагрузки), так и то, какие конкретные цилиндры не работают, будут постоянно меняться в зависимости от условий эксплуатации. По данным GM, это может снизить расход топлива на целых 15 процентов.
4 из 11
4. Сменные гибриды на топливных элементах
Кажется, что за последние 20 лет технология водородных топливных элементов появится через десять лет.
С недавним выпуском Toyota Mirai и Honda Clarity, которые появятся в конце этого года, а также Hyundai Tucson Fuel Cell для аренды жителями Калифорнии, возможно, наконец-то появится электромобиль на водородном топливе. На данный момент топливные элементы остаются дорогими, а заправочная инфраструктура по-прежнему неоднородна. Одно из возможных решений этой проблемы было впервые продемонстрировано Ford почти десять лет назад в его концепции Airstream, в которой использовалась гибридная компоновка с подключаемым модулем, чтобы попытаться достичь лучшего баланса между стоимостью и удобством использования. За ним последовал управляемый прототип силового агрегата, установленный в кроссовере Edge. Но суть вот в чем: топливные элементы работают наиболее эффективно, когда выдают постоянный поток энергии. Им нужна батарея или конденсатор, чтобы действовать как буфер и справляться с неизбежными колебаниями потребляемой мощности при вождении в реальном мире. Использование топливного элемента в качестве расширителя диапазона потенциально может повысить общую эффективность с нулевым уровнем выбросов выхлопных газов.
(Концептуально он похож на Chevrolet Volt, но топливный элемент заменяет бензиновый двигатель Volt.) Хотя Ford построил только один из своих демонстрационных автомобилей Edge, Mercedes-Benz недавно объявил, что будет производить подключаемую версию топливного элемента. кроссовер GLC, GLC F-Cell, в 2017 году.
Volute
5 из 11
5. Соответствующие резервуары для хранения водорода
Помимо стоимости блока топливных элементов и отсутствия заправочной инфраструктуры, другой серьезной проблемой этой альтернативы автомобилю с батарейным питанием является хранение водород. До сих пор автомобили на топливных элементах хранили газообразный водород в громоздких баллонах, обернутых углеродным волокном, под давлением до 10 000 фунтов на квадратный дюйм. В течение нескольких лет Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E) финансирует различные исследовательские проекты по разработке соответствующих систем хранения сжатого природного газа.
Один из них, в частности, может быть приспособлен для хранения водорода. «Кишечная» система хранения, разработанная стартапом из Сан-Франциско Volute, состоит из серии небольших газовых баллонов, соединенных последовательно и обернутых взад и вперед друг над другом. Такое расположение обеспечивает гораздо большую гибкость упаковки, чем один или два больших баллона, что делает его практичным в небольших автомобилях и в местах неправильной формы.
6 из 11
6. Кремниевые анодные батареи
Аккумуляторный электромобиль почти так же стар, как и сам автомобиль. К сожалению, даже с учетом успехов, достигнутых в последние десятилетия в области электрохимических батарей, плотность их энергии бледнеет по сравнению с жидким топливом. Аккумуляторная батарея весом 960 фунтов и мощностью 60,0 кВтч для грядущего электромобиля Chevrolet Bolt содержит столько же энергии, сколько всего 1,8 галлона бензина, поскольку галлон бензина содержит примерно 33,7 кВтч энергии. Таким образом, аккумуляторная батарея емкостью 60,0 кВтч содержит 1,8 галлона газа.
Однако инженеры и ученые не сдались, и на горизонте появились очень многообещающие технологии, в том числе кремниевые аноды в батареях. Кремний может поглощать гораздо больше электронов для большей плотности энергии, чем современные химические вещества, состоящие в основном из никеля, марганца и кобальта. К сожалению, поглощение всех этих заряженных частиц приводит к вздутию электрода, поэтому об анодах из чистого кремния для автомобильных аккумуляторов не может быть и речи. Тем не менее, компании, в том числе Nissan, разрабатывают смеси кремния, которые могут увеличить мощность на заявленные 10-40 процентов в течение следующих 5-10 лет.
7 из 11
7. Двигатели без распредвала
Для преобразования тепловой энергии в механическую работу двигатель должен эффективно накачивать воздух (в частности, кислород) и топливо в цилиндры и пропускать выхлопные газы. Однако оптимальное время открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов широко варьируется в зависимости от частоты вращения двигателя и нагрузки.
Современные регулируемые фазы подъема и фазы газораспределения, а также фазировка кулачков сотворили чудеса, приблизившись к оптимальным потокам, но есть ограничения на то, что вы можете сделать с классическим распределительным валом, и трудно изменить синхронизацию для отдельных цилиндров. В идеале каждый клапан должен управляться собственным приводом, идеально синхронизированным с тем, что происходит с этим цилиндром и положением коленчатого вала. Хотя электромеханические и гидравлические соленоиды использовались в исследовательских лабораториях для имитации различных профилей кулачков перед обработкой деталей, они потребляли слишком много энергии, чтобы быть полезными в производстве, не говоря уже о том, что они были довольно шумными при работе. Переход к 48-вольтовым электрическим системам и двигателям уменьшенного размера с меньшим количеством цилиндров и клапанов может сделать бескулачковый двигатель реальностью в ближайшие годы. Lotus Engineering впервые продемонстрировала бескулачковый двигатель в конце 19 века.
80-х годов, а производитель суперкаров Koenigsegg продемонстрировал свой прототип двигателя FreeValve в начале 2016 года. тем не менее, когда важна полезная нагрузка, аккумуляторы слишком громоздки, чтобы быть практичными. Для более крупных грузоперевозчиков, от доставки посылок до сбора мусора и дальних перевозок, батареи потребляют слишком много полезной нагрузки и требуют слишком много времени для зарядки, чтобы их можно было использовать отдельно. Компания Wrightspeed, одного из первых членов команды Tesla Яна Райта, разработала гибридную трансмиссию с подключаемым модулем для больших самосвалов, которая содержит батарею, которой хватает почти на 30 миль на одной зарядке, и турбину, питающую генератор, увеличивающий запас хода. У недавнего стартапа Nikola Motors есть аналогичная система для больших буровых установок, предназначенная для работы на сжатом природном газе. Отличительной чертой турбин является то, что они могут работать практически на всем, что может сгореть, и они очень эффективны при работе с постоянными высокими нагрузками, позволяя аккумулятору справляться с ускорением и восстанавливать энергию торможения.
9 из 11
9. Электрические нагнетатели
Турбокомпрессор — еще одна классическая технология двигателя, получившая в последние годы новую жизнь благодаря электронному управлению и непосредственному впрыску топлива под высоким давлением. Несмотря на достижения в дизайне и средствах управления, базовая физика подсказывает, что турбины с выхлопным приводом почти всегда будут иметь некоторую задержку, а водопроводная система под капотом также является усложняющим фактором. Однако замена турбины с приводом от выхлопных газов на электродвигатель — это следующая большая волна уменьшения размеров двигателя. Реакция компрессора с электрическим приводом может быть почти мгновенной, потому что батарея может вращать его, чтобы устранить задержку. С электрическим нагнетателем двигатель с деактивацией цилиндров может поддерживать работу меньшего количества цилиндров, в то время как больше воздуха нагнетается в оставшиеся, чтобы обеспечить крутящий момент, необходимый для подъема по склону.
Когда транспортное средство движется под уклон, воздух, проходящий через компрессор, может привести в действие двигатель, чтобы передать энергию обратно в аккумулятор. Audi SQ7 TDI — первый серийный автомобиль с электрическим нагнетателем, и мы ожидаем, что за ним последуют другие.
Sakti 3/YouTube
10 из 11
10. Твердотельные аккумуляторы
Электрохимические аккумуляторы по-прежнему остаются проблематичным источником энергии для электромобилей из-за их неизменно низкой плотности энергии. Значительный прогресс был достигнут с каждым скачком в химии от свинцово-кислотного до никель-металлогидридного и литий-ионного. Тем не менее, как упоминалось ранее, современная литий-ионная батарея емкостью 60,0 кВтч, которая весит почти 1000 фунтов, имеет такую же энергоемкость, как всего 1,8 галлона бензина. Одним из ограничивающих факторов производительности батареи является жидкий или гелевый электролит, который находится между электродами. Это не лучший проводник, и если электроды короткие, электролит может быть очень горючим.
Введите твердотельную батарею с кристаллическим материалом электролита, который пропускает электроны быстрее и никогда не разлагается. Эти батареи могут работать дольше с большей плотностью при меньших затратах. По крайней мере, у них есть такой потенциал, как только исследователи из Sakti3 (недавно купленной британской Dyson), Samsung, Google и других компаний выяснят, как производить более одной ячейки за раз.
11 из 11
11. Воспламенение от сжатия с однородным зарядом (HCCI)
В погоне за повышением эффективности и снижением выбросов исследователи попытались разработать новые стратегии сгорания, которые сочетают в себе лучшие характеристики как Otto (бензиновый двигатель), так и и дизельные циклы. Это называется воспламенением от сжатия гомогенного заряда (HCCI). Двигатель с гибридным двигателем HCCI будет работать на бензине, используя тепло, выделяемое при сжатии поступающего воздуха, для воспламенения топлива без использования свечи зажигания, как в дизеле.
Двигатели HCCI должны иметь возможность повысить эффективность использования топлива на 15 или более процентов без сложной и дорогостоящей обработки выхлопных газов, которая требуется для дизелей. Когда автопроизводители, в том числе General Motors и Daimler, демонстрировали двигатели HCCI в конце 2000-х годов, они предполагали, что эти двигатели могут быть доступны уже сейчас. Хотя работа продолжается, до этой технологии осталось как минимум несколько лет.
Как отрегулировать сиденье и зеркала для трека
Как бензиновые двигатели могут выжить в электромобилях будущего
| Особенности
Передовые технологии позволяют обычным двигателям работать десятилетиями.
Двигатели внутреннего сгорания не исчезнут полностью в ближайшее время, если вообще исчезнут. Некоторые транспортные задачи или операционные условия просто не поддаются электрическим двигателям с батарейным или водородным питанием.
Полтора века исследований и разработок значительно повысили эффективность двигателей внутреннего сгорания, и у инженеров есть множество дополнительных хитростей, которые обещают извлечь из молекулы топлива еще больше работы, производя при этом еще меньше вредных выбросов. Вот лишь некоторые из них, за которыми мы следим, перечисленные в порядке сложности и стоимости реализации.
Стандарт топлива с октановым числом 98
Простое создание двигателя для работы со степенью сжатия 15:1 или выше значительно повышает его термодинамическую эффективность и удельную мощность, что позволяет дополнительно уменьшить размеры двигателя. Для этого требуется топливо с более высоким октановым числом, а исследовательское октановое число (RON) 98 представляет собой золотую середину, выше которой производство/переработка топлива потребляет больше энергии, уменьшая выгоду от энергии/CO2.
Интеллектуальная деактивация цилиндра
Двигатели рассчитаны на наихудшие сценарии, такие как ускорение на четверть мили или буксировка тяжелых прицепов по плотине Дэвис.
Деактивация цилиндров повышает эффективность в менее экстремальных дорожных ситуациях, заставляя несколько цилиндров усиленно работать на Davis Dam, в то время как другие ничего не делают. Динамическое управление подачей топлива может отключить любой или все цилиндры 5,3- и 6,2-литровых двигателей GM V-8, чтобы повысить экономию топлива EPA почти на 12 процентов. Tula Technologies и Eaton теперь предлагают аналогичные системы для дальнемагистральных дизельных двигателей, где меньший выигрыш в эффективности использования топлива (1,5-4,0 процента) приносит огромные дивиденды по NOx за счет поддержания температуры выхлопных газов, необходимой для поддержания работы катализаторов.
Инновационные воздуходувки
Мощность двигателя ограничена количеством воздуха, которое он может проглотить, поэтому более века назад были разработаны нагнетатели с приводом от коленчатого вала и турбокомпрессоры с приводом от выхлопных газов. Электрические нагнетатели, использующие рекуперированную энергию, питают, в частности, двигатели Volvo Drive E и Mercedes M256; добавление двигателя/генератора к турбонагнетателю устраняет отставание по мощности и позволяет собирать энергию во время движения.
Два интересных варианта нагнетателей с кривошипным приводом — это центробежный нагнетатель Torotrak V-Charge, в котором используется вариатор для быстрого согласования скорости с потребностью, и нагнетатель типа Lysholm от Hansen Engine Corp, который имеет окно, которое открывается или закрывается в соответствии с потребностью в воздухе. давление при минимальных потерях для обеспечения турбоэффективности с повышенной отзывчивостью.
Fancy Ignition Systems
Поскольку для сгорания топлива требуется время, обычные свечи зажигания срабатывают, когда поршень уже движется вверх, что делает начальное сгорание контрпродуктивным. Схемы одновременного воспламенения большего количества смеси обещают более быстрое сгорание, что позволяет в основном происходить при ходе вниз. Форд разработал лазеры ближнего инфракрасного диапазона для зажигания нескольких точек в камере сгорания, но стоимость и надежность остаются проблематичными. Сменная свеча зажигания Transient Plasma впрыскивает пластины низкотемпературной плазмы, которая обещает быстрое и холодное воспламенение сверхбедных смесей для повышения экономии топлива на 10-15 процентов и значительного снижения выбросов NOx.
Даже новая форкамерная система Twin-Combustion от Maserati считается ускорителем воспламенения.
Переменная степень сжатия
Эта простая концепция обещает высокую степень сжатия для экономного плавного движения с легким дросселем и низкую степень сжатия при работе наддува. Составной шатун Руба-Голдберга от Nissan изменяет ход двигателя, бесступенчато изменяя степень сжатия от 8:1 до 14:1. Нас не впечатлили характеристики Nissan/Infiniti VC-Turbo и экономия топлива, и мы задаемся вопросом, может ли эксцентриковый шатун FEV быть проще и работать лучше. Давление масла, подаваемое через коленчатый вал, приводит во вращение эксцентриковый подшипник в конце поршня, изменяя ход поршня в более узком диапазоне, скажем, от 8:1 до 12:1, обещая снижение расхода топлива на 5 процентов.
Воспламенение от сжатия однородного заряда
Эффективность дизеля с выбросами бензина! Это дихотомическое обещание HCCI, которое стремится спонтанно воспламенить обедненные бензиновые смеси путем сжатия.
У GM, Mercedes и Hyundai были многообещающие программы HCCI, но только Mazda запустила HCCI в производство. Вроде. SkyactivX иногда использует свечу зажигания, и его продажа в Северной Америке по-прежнему считается слишком дорогой. Nautilus Engineering предложила концепцию HCCI, в которой небольшой поршень поверх основного поршня входит в свой собственный небольшой цилиндр с более высокой степенью сжатия в верхней части такта, чтобы инициировать воспламенение от сжатия. Однако нам ничего не известно о каких-либо OEM-контрактах, заключенных с компанией.
Системы регенерации отработанной энергии
Двигатели внутреннего сгорания выделяют много тепла и вибрации; почему бы не использовать его для получения энергии пара, термоэлектрической или пьезоэлектрической энергии? От предложенной BMW системы Turbosteamer и многих других отказались по причинам стоимости и веса. Твердотельные термоэлектрические генераторы обещают превращать тепло, обычно от выхлопных газов, непосредственно в электричество.
(Возможность производства зависит от повышения эффективности необходимых материалов по сравнению с сегодняшним примерно 5-процентным уровнем.) А исследователи из Университета Дьюка предлагают использовать пьезоэлектрические кристаллы, подобные тем, которые расширяются под напряжением, для приведения в действие топливных форсунок прямого действия для выработки энергии под действием вибрации.
Совершенно новые концепции двигателей
Любая радикально новая конструкция двигателя сталкивается с огромной промышленной инерцией. Тем не менее, несколько «лучших мышеловок», похоже, не сдаются. Achates Power недавно получила еще один грант в размере 5 миллионов долларов от армии для продолжения разработки своего трехцилиндрового двухтактного двигателя с шестью оппозитными поршнями и двумя коленчатыми валами (показан выше). Сообщается, что у 4,9-литрового прототипа с супер- и турбонаддувом мощностью 275 л.с. и 811 фунт-футов его эффективность превзошла 6,7-литровый турбодизель Power Stroke в Ford F-Series на 20 процентов.
Scuderi и Primavis предложили двигатели с разделенным циклом, в которых циклы впуска/сжатия и сгорания/выпуска выполняются в отдельных цилиндрах, каждый из которых предназначен для выполнения различных задач. Это снижает температуру. У Scuderi возникли юридические проблемы со своими инвесторами, Primavis планировала свой крошечный двухтактный двигатель в первую очередь как средство для увеличения запаса хода, и ни один из них в последнее время не делал много новостей, хотя их научная база кажется обоснованной. Концепция LiquidPiston X-1 представляет собой роторный двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку, с ротором в форме корпуса Ванкеля, качающимся через треугольный корпус с тремя камерами сгорания. Монтаж сальников на стационарном корпусе облегчает их смазку. Он все еще находится в активной разработке в качестве расширителя диапазона. Кроме того, есть более серьезные конструктивные скачки, такие как концепция роторной турбины внутреннего сгорания Astron Aerospace, которая сочетает в себе работу с разделенным циклом, HCCI, сверхдлинный цикл расширения и другие замечательные идеи. Он также все еще находится в активной разработке, производя впечатляющие заявления о мощности, крутящем моменте и эффективности.
Зеленое топливо обещает безуглеродное сжигание сейчас
Биотопливо: Использование зеленой энергии для производства топлива из растений, которые вытягивают CO2 из атмосферы, теоретически не добавляет новый CO2 в нашу «теплицу». Но работа на чистом этаноле, полученном из кукурузы, обычно не считается, потому что земля, используемая для выращивания этой кукурузы, обычно преобразовывала одинаковое количество CO2, независимо от того, становилась ли она топливом или кукурузным сиропом с высоким содержанием фруктозы, поэтому нельзя заявить о чистом сокращении выбросов углерода. . Биотопливо, изготовленное из целлюлозного сырья, такого как стебли кукурузы, трава мискантуса или новые культуры, посаженные там, где до этого ничего не выращивалось или не могло быть выращено/собрано, и существует множество процессов преобразования целлюлозных материалов или даже мусора в этанол, метанол или бутанол. . Также выявлено несколько процессов превращения водорослей в биодизель. К сожалению, они слишком дороги, чтобы конкурировать с дешевым бензином.
Прямое улавливание углерода: было предложено несколько схем извлечения CO2 из воздуха и его гидрогенизации с образованием углеводородного топлива. Prometheus Fuels планирует производить бензин из CO2, а коллаборация Audi и Sunfire намерена производить дизельное топливо из «голубой нефти», созданной с использованием зеленого электричества для объединения углерода из CO2 с водородом из воды. Компания Carbon Engineering в Британской Колумбии, Канада, планирует начать промышленное производство к 2022 году. А компания ReactWell LLC надеется объединить процесс Национальной лаборатории Ок-Ридж для прямого преобразования CO2 в этанол со своим собственным процессом для преобразования его с повышением частоты в биосырую нефть, которую можно перерабатывать в различные углеводородные топлива.
Популярные страницы
2023 Toyota GR Corolla против Subaru WRX: Toyota построила лучший WRX?
2023 Kia EV6 GT Первый тест: Silent Stinger мощностью 576 л.
