Автомобильные двигатели и их будущее: история промышленности

«Автомобили с бензиновыми двигателями в то время были доступны только самым состоятельным людям, настоящим энтузиастам. Которых вдохновлял запах бензина, которым было интересно возиться с «железными конями», самим управлять ими». Нет, мы не решили заново переписать первую часть нашего рассказа – о заре автомобилизации, конце ХIХ века. Не исключено, что этими словами в далеком будущем кто-то расскажет о… конце XXI века. Да что там, может, и о его середине. Как так? А вот как…

Антон Борисенко

В рамках спецпроекта с брендом моторных масел G-Energy рассказываем об истории автомобильных двигателей. Первая часть — экскурс в историю двигателестроения, вторая и третья — история автомобилей ХХ века, четвертая — спортивная история. Сегодня говорим о будущем автомобильных двигателей.

youtube

Нажми и смотри

«Пятилетку – в четыре года!»

Третье десятилетие XXI века должно стать решающим в истории мирового автомобилизма, в истории развития двигателей. И это не пафосное заявление: складывается слишком много факторов. Инженеры довели двигатель внутреннего сгорания практически до совершенства, но этого оказалось мало. Экологи и политики оказывают на автоиндустрию серьезнейшее давление, буквально вынуждающее к переходу на использование электроэнергии. Развернулось едва ли не соревнование – у кого процесс будет идти быстрее. В изначальных планах формулировался глобальный переход «на электротягу» к середине века, но сейчас все больше стран строят «встречные планы». Буквально на днях объявила о смещении даты «бана» традиционных двигателей одна из цитаделей мирового автомобилизма – Великобритания: здесь переход к электромобилям планируется уже в 2030 году. Новость о том, что в 2024-м BMW прекратит производство бензиновых и дизельных двигателей на заводе в Мюнхене – том самом, с которого все начиналось, пришла уже тогда, когда эта статья редактировалась. И подобные новости поступают едва ли не каждую неделю.

Инициативу берут на себя и местные власти, заявляя о планах запретить въезд в центры городов, а то и в принципе на их территорию автомобилям с традиционными – в первую очередь дизельными – двигателями.

Как ни удивительно, переход на электрическую энергию вовсе не выглядит концом света для тех, кто трудится сейчас в автомобильной отрасли. Помимо экологической чистоты, он несет в себе и новые возможности для конструкторов, инженеров и дизайнеров. Занятые сейчас созданием традиционных автомобилей специалисты ждут перемен с энтузиазмом. Ведь даже сама компоновка автомобиля может радикально поменяться, допустим, при использовании «мотор-колес». Все больше и больше компаний разрабатывают и показывают специализированные платформы – основу для будущих электромобилей. И демонстрируют на их примере такие компоновочные возможности, которые в традиционных двигателях и трансмиссиях нельзя реализовать просто технически. Многие производители стараются объяснить потенциальным покупателям, что управление электромобилем может быть ничуть не менее увлекательно, интересно и приятно, чем обычным автомобилем. Спортивные соревнования на электромобилях тоже набирают обороты (и это далеко не только Formula E), и на таких состязаниях ставят рекорды скорости.

Аккумулятор, домашняя проводка и… образ жизни

Но не стоит думать, что переход на использование электрической энергии – вещь простая и может свершиться сразу после издания закона. Объективные сложности здесь имеются – и именно над их решением сейчас трудится немало специалистов.

Например, важным аспектом является экологическая чистота производства аккумуляторных батарей, а также их безопасная и безвредная утилизация по завершению срока службы. Производство тяговых автомобильных аккумуляторов требует дорогих цветных и редкоземельных металлов – потому они и остаются достаточно дорогостоящими, да и экологичность такой добычи относительна. Прогресс на этом поле ощутим: литий-ионные полимерные аккумуляторы, безусловно, намного эффективнее и чище своих предшественников пятнадцатилетней давности, не говоря уже о классических свинцовых. Есть и более современные технологии создания аккумуляторов, и сейчас необходимо довести их до готовности использования в массовых объемах. Запас автономного хода, который сейчас подразумевается даже для относительно массовых моделей электромобилей, еще 7–8 лет назад не был доступен и за самые большие деньги. Так что производство аккумуляторов – это все-таки едва ли не наименьшая из проблем, развитие технологий здесь действительно внушает оптимизм. Чем выше будет спрос – тем скорее появятся и новые разработки, и они станут доступнее. Взоры мирового автомобильного рынка здесь во многом обращены на Китай. И не потому, что китайцы достигли каких-то невероятных прорывов в технологиях (хотя, активно привлекая западных специалистов, они делают семимильные шаги). К тому же невероятный по своей емкости рынок подразумевает большие тиражи, а значит, неизбежно удешевление – и новые разработки станут доступными в других регионах. То есть надежда, что аккумуляторы подешевеют, вполне обоснованна.

А вот с утилизацией пока сложнее. Различные производители оговаривают разные сроки службы аккумуляторных батарей: кто семь лет, кто десять, то есть достаточно длительные периоды. Но и они конечны (впрочем, «конечными» стремятся нынче делать и сами автомобили – об этом мы уже говорили). Возможно, компромисс будет найден на уровне «срок службы батареи равен сроку службы автомобиля», что снимет с пользователя множество проблем. Вовсю идут исследования – как можно использовать отработавшие свое «на борту» батареи в их «послеавтомобильной» жизни. Предложений уже немало, но единых решений, позволяющих справиться с проблемой системно, в массовых объемах, пока нет.

Еще одна задача – развитие зарядной инфраструктуры. Причем решать ее надо не только в плане доступности зарядных станций (что как раз более-менее решаемо за счет дооборудования существующих традиционных заправок), но и в плане длительности пребывания электромобиля «на кабеле». Да, сделан огромный шаг в плане скорости зарядки аккумуляторов. Многие производители заявляют: их электромобили можно зарядить буквально за пару часов, а до достаточного для среднесуточного пробега уровня – буквально за полчаса. Ну, то есть «остановился, попил кофе… готово!». Но здесь имеется пометка мелким шрифтом – при использовании быстрых зарядных станций. Вот только рабочая мощность всех этих быстрых станций – 50, 70, а то и 100 кВт при напряжении 400 В. Новейшее поколение «ультрабыстрых» зарядок – это вообще напряжение 800 В и мощность до 300 кВт. Для справки: в России нормативно выделенная мощность сети на квартиру или индивидуальный дом – 15 кВт. Увеличить ее можно, однако это требует специальной процедуры, проверки «наличия технической возможности», да и оплачивается такая энергия по более высоким тарифам. Возможно, Россия не пример, но законы физики одинаковы в любой стране мира: рассчитанная на определенную мощность сеть населенного пункта не позволит «просто взять и понавешать» 100-киловаттных станций в каждом частном доме. Долгая зарядка от обычной сети пока что в быту остается неизбежной, а это все те же 6, 8, а то и 10 часов. В зонах индивидуальной застройки эту проблему решить проще (к тому же разработаны, например, бесконтактные индукционные станции, монтируемые в пол гаража и имеющие такой же принцип действия, как и беспроводная зарядка смартфона). А вот в случае больших многоквартирных домов адекватное решение, рассчитанное не на единицы электромобилей около дома, а именно на массовую их эксплуатацию, еще предстоит выработать.

Решаема ли эта проблема в принципе? Решаема! Уже в начале «десятых» годов автор этих строк знакомился в Японии с интересным и реально воплощенным решением, в рамках которого электромобили приехавших на работу в бизнес-центр сотрудников, становились частью энергосистемы. Зарядившись, они «оставались на связи» и обменивались с ней энергией, сглаживая пики потребления, то есть аккумуляторы работали не только «для себя», но и «для всех». И это лишь один из вариантов. Ряд автопроизводителей предлагали организовать сеть пунктов быстрой замены аккумуляторов на заряженные, но эта идея не прижилась. Во-первых, она опять же требует создания целой структуры, во-вторых – слишком высокой степени унификации.

Индукционный (беспроводной) способ зарядки открывает множество возможностей. Если зарядную «плиту» можно установить в собственном гараже, то почему этого нельзя сделать на общественной парковке? Можно! И такие прецеденты уже есть. Более того, рассматривается даже возможность укладки зарядных модулей в покрытие улиц – то есть электромобиль сможет подзаряжаться даже на ходу. Конечно, это требует создания специальной дорожной инфраструктуры, но ее рано или поздно все равно придется предусматривать – как для нужд электрификации, так и для работы беспилотных систем.

Сейчас производители стали предлагать и «двунаправленные» зарядные порты: электромобиль может использовать энергию не только на собственные нужды (передвижение, отопление, работа бортовых систем), но и, к примеру, для подпитки освещения в кемпинге, работы простейшей бытовой техники. То есть электромобиль рассматривается и как составляющая некой энергетической инфраструктуры, и как часть образа жизни – все актуальнее аспекты именно удобства его использования.

В ряде стран открыто говорят, что электрификация потребует реорганизации самой жизни автомобилиста. Грубо говоря, если прежде ты просто заезжал на заправку, заправлял автомобиль бензином или дизелем и уезжал, то теперь «чашку кофе» (пока электромобиль заряжается даже самой мощной специальной зарядкой) и перерыв на полчаса минимум придется принять как должное. Ну, значит, приспосабливайтесь, берите с собой ноутбуки и т.п. В общем, это уже имеет весьма опосредованное отношение собственно к технике и двигателям.

Есть еще немало нюансов. Например, об одном вспоминают вообще редко. В личных беседах специалисты одной из наиболее активных в плане электрификации марок рассказали автору, что эффективность и экономическая обоснованность процесса во многом зависит от себестоимости собственно электроэнергии. Одно дело, когда поблизости находится мощная ГЭС, другое – когда речь идет о дорогостоящих способах генерации. Необходимо учитывать и экологичность самой генерации энергии, и потери при передаче ее «до розетки».

Рано или поздно решения найдутся для всех проблем. Вопрос – за какое время.

Не спеши ты их хоронить

Великобритания, Германия, Скандинавия, США… Все, о чем мы так долго говорим, относится к развитым странам. Даже здесь решение поднятых проблем в продуманном режиме, а не аврально, выглядит задачей отнюдь не на одно десятилетие. Интересная альтернатива аккумуляторным электромобилям – электромобили на водородных топливных элементах. Химическая реакция между водородом и кислородом сопровождается мощным выделением энергии (причем без горения), а в качестве выхлопа образуется лишь немного водяного пара. То есть непосредственно на борту автомобиля существует как бы небольшая электростанция. Заправка водородом происходит очень быстро – сопоставимо с традиционным топливом, если даже не быстрее. Да и сами заправочные станции принципиально не отличаются от обычных (никого же не смущает возможность заправки автомобилей с газобалонным оборудованием рядом с обычными бензиновыми). Такие электромобили уже давно не теория, их созданием занимаются Toyota, Hyundai, Honda, General Motors, Volkswagen и другие. Считается, что водородные смогут занять не меньше трети рынка электромобилей. Панацея? Увы, нет…

Во-первых, стоит напомнить, что смесь кислорода и водорода в просторечье называется гремучим газом. И пометка «без горения» выше была сделана не просто так. С горением все обстоит несколько хуже. Соответственно, требуется особая осторожность и внимание при транспортировке, заправках, хранении.

Во-вторых, водород для топливных элементов хранится под очень высоким давлением – порой до 700 атмосфер, а то и выше. Да, созданы сверхпрочные баки из композитных материалов, не боящиеся самых серьезных ДТП: автомобиль будет полностью уничтожен, но бак «выживет». Но как быть даже не с созданием соответствующих уплотнений и соединений, а с контролем их состояния, банальной культурой эксплуатации? Далее см. пункт «во-первых».

В-третьих и в-четвертых… Крайне дорогое оборудование: в топливных элементах не обойтись без цветных и редких металлов. Крайне дорог и сам водород – его производят либо из природного газа (то есть от углеводородов тут тоже далеко уйти не получается), либо методом электролиза – со значительными затратами электроэнергии. Про производство электроэнергии и соответствующие затраты и чистоту смотрим еще раз выше в этом тексте. Вечный двигатель изобретаться не хочет никак…

Традиционным двигателям внутреннего сгорания еще долгие годы будет находиться применение. И достаточно простым, разработанным еще во времена «до даунсайзинга» (помните соответствующую часть нашего рассказа?). Не зря же многие производители сохраняют в своих линейках старые добрые атмосферники с рабочим объемом 2–3 л. Запретят в Европе «дизеля», так проверенные годами и славящиеся надежностью дизельные двигатели Peugeot Citroen, Volvo, Volkswagen и другие еще долгие годы будут верой и правдой служить в других регионах мира.

И даже доведенным до технических пределов «даунсайзинговым» моторам уже сейчас находится интересное применение в «электрифицированном» будущем – в составе гибридных силовых установок.

HEV, PHEV, MHEV и другие

Гибридными называются автомобили, силовые установки которых используют несколько источников энергии. Казалось бы, все просто – это энергия, поставляемая ДВС, и энергия, запасенная в аккумуляторных батареях? И да и нет. Гибридные (да и «чисто» электрические) силовые установки сделали качественный шаг вперед в развитии, когда была в достаточной мере освоена еще и рекуперация, то есть возвращение аккумулятору затраченной электрической энергии путем преобразования из кинетической – при замедлении или торможении автомобиля.

Гибридные системы (HEV – Hybrid Electric Vehicle) – это целое семейство разных вариантов. Во-первых, они различаются по схеме. Самая простая – последовательная. В этом случае двигатель внутреннего сгорания используется фактически как автономная электростанция. Работает он в наиболее благоприятном режиме, крутит генератор, подзаряжает тяговую батарею. А от этой батареи питается электромотор, приводящий в движение собственно колеса. Все бы ничего, но из всех гибридных систем КПД у последовательной наименьший. На практике такими системами оснащались гибриды General Motors – например, неизвестный в России Chevrolet Volt.

При параллельной схеме доступ к ведущим колесам имеют и ДВС, и электромотор, питающийся от отдельной батареи. Они могут действовать как по отдельности, так и совместно. Электромотор может помогать традиционному двигателю в наиболее нагруженных режимах, а на какое-то время и полностью брать на себя движение. Разрядился аккумулятор – нагрузка ложится только на ДВС. КПД такой системы ощутимо выше, но тут уже и конструкция посложнее, и ДВС приходится работать не только в комфортном для него режиме. Из ведущих мировых производителей подобную схему достаточно активно использовала Honda.

Едва ли не наиболее популярными в мире стали гибридные модели Toyota (и, соответственно, Lexus), в которых использована последовательно-параллельная схема. Наличие планетарного редуктора – именно через него осуществляется связь между ДВС, электромотором и трансмиссией – позволяет перераспределять потоки энергии в произвольных пропорциях и направлениях. Традиционный двигатель может и колеса крутить, и аккумулятор подзаряжать, а электрический – либо помогать ДВС, либо полностью брать движение на себя, либо подзаряжать аккумулятор при рекуперации кинетической энергии. Преимущества первых двух схем тут объединены. Потому-то Toyota теперь далеко не одинока в использовании такой схемы.

По интересной схеме TTR (Through-the-Road, «через полотно дороги») может быть реализован полный привод гибридного автомобиля. В этом случае бензиновый двигатель отвечает, допустим, за передние колеса, электрический – за задние, а их взаимодействие и согласование обеспечивает единый управляющий модуль. Плюс такой компоновки – отсутствие сложных элементов трансмиссии, минус – не такая гибкость функционирования, как у последовательно-параллельной. Кстати, Toyota также предлагала эту схему на практике, представляла концептуальный автомобиль с такой компоновкой и Kia.

Интересное и едва ли не наиболее доступное решение – так называемый мягкий гибрид (Mild Hybrid), которое используется, например, на современных компактных моделях Hyundai и Kia. Специальный узел, название которого – стартер-генератор – говорит само за себя, имеет мягкую (при помощи приводного ремня) связь с коленчатым валом двигателя. При необходимости он может помогать ДВС, используя энергию тягового аккумулятора, – например, в «нижнем» диапазоне оборотов, где традиционный двигатель выдает маловато нужного при разгоне крутящего момента. А без такой необходимости – выступать в качестве генератора, подзаряжая тот же аккумулятор за счет вырабатываемой ДВС энергии. Интересная фишка такой схемы в том, что на ее базе удобно реализовывать ставшие ныне популярными системы «старт-стоп», когда двигатель внутреннего сгорания временно выключается при кратковременных остановках – допустим, на светофоре. Собственно, именно поэтому специальный узел так и назван – стартер-генератор, а не просто мотор-генератор.

Все большую популярность набирают и гибриды с возможностью подзарядки от внешнего источника – Plug-in Hybrid, или PHEV. Это, по сути, дважды гибрид – автомобиль, сочетающий качества обычной гибридной системы (этакой вещи в себе) и обычного электромобиля на аккумуляторной батарее. Батареи, кстати, в этом случае делают более высокой емкости, и многие современные PHEV вполне способны обеспечить среднестатистический дневной запас хода (50–70 км), вообще не беспокоя ДВС. А вечером – пристроиться заряжаться у обычной розетки, ведь и пополнять запас электроэнергии не так долго, как полноценному электромобилю. Но при желании на PHEV можно передвигаться и с максимальным использованием ДВС.

Именно гибридные модели в ближайшем будущем, скорее всего, и продолжат играть роль локомотивов электрификации. Пока там совершенствуются аккумуляторы, решаются инфраструктурные вопросы и вопросы социальные… Тут же технология уже освоена: гибриды выпускаются и продаются миллионами. В том числе и в тех странах, где полностью электрическую инфраструктуру еще развивать и развивать долгие годы. Имеющие высочайший КПД и готовые отдавать максимальный крутящий момент во всех диапазонах работы электродвигатели существенно облегчают жизнь ДВС, своим «напарникам» по гибридным системам. Соответственно, от тех и не требуются какие-либо суперпоказатели. В гибридных системах используются относительно малолитражные двигатели (с рабочим объемом в основном от 1 до 3 л) достаточно простых конструкций – рядные тройки или четверки, ну или V6 максимум.

Ванкель strikes back!

Что удивительно, в составе гибридных систем возможно даже возрождение двигателя, на котором история (а точнее, все те же возросшие экологические требования), казалось, поставила крест. Мы об этом типе двигателя внутреннего сгорания даже не рассказали ранее: уж больно узкой у него была ниша, работали с такой конструкцией буквально три-четыре марки. Кстати, в том числе и российская Lada. Речь – о двигателе Ванкеля, роторном. Наиболее известны роторные автомобили Mazda, хотя первой моделью с таким двигателем на рынке был немецкий спортивный NSU Spider.

По сути, двигатель Ванкеля – это один цилиндр сложной формы («камера объемного вытеснения»), внутреннюю поверхность которого обегает трехгранный ротор, вращающийся относительно расположенного внутри него статора-шестерни. Траектория, которую проходят в движении вершины трехгранного ротора, называется эпитрохоидой, а внутренняя поверхность цилиндра, соответственно, эпитрохоидальной. Грани ротора «отсекают» в цилиндре камеры переменного объема, в которых и реализуются рабочие такты. Может быть реализован цикл Отто, при этом образование рабочей смеси, смазка и охлаждение, зажигание принципиально не отличаются от обычного поршневого ДВС. Только классический механизм газораспределения при этом не нужен, не нужны отдельные шатуны, не нужен коленчатый вал и картерное пространство. Конструктивная простота и есть главное и принципиальное преимущество роторного двигателя перед поршневым (число деталей в конструкции Ванкеля меньше даже не в разы, а на порядок). Но это не единственное преимущество. Он практически идеально сбалансирован, компактен, обеспечивает великолепные динамические характеристики (недаром же российские роторные Lada выпускались очень малыми сериями и преимущественно для спецслужб).

В чем же тогда дело? Крест на практическом применении такого двигателя чуть было не поставили его недостатки: сложность в изготовлении, очень жесткие требования к периодичности замены масла (поскольку очень высоко давление и нагрев, способный легко перейти в перегрев), повышенная частота ремонтов (замены уплотнителей), меньшая экономичность и высокая токсичность выхлопа. В принципе, последних двух факторов было достаточно в условиях борьбы за экологию…

Но в конце 2018 года Mazda объявила о возрождении ротора. Им удалось добиться 40-процентной (!) экономии топлива по сравнению с тем, что было раньше, а расход масла снизить и вовсе наполовину. Двухкамерный двигатель Renesis (Rotary Genesis) соответствовал требованиям Euro IV и был компактным и мощным: при рабочем объеме 1,3 л его мощность составила 250 л. с.! Была представлена и «старшая» 1,6-литровая модель, обладающая даже лучшими температурными характеристиками. К тому же новый двигатель мог использовать в качестве топлива водород, не требуя особых мер по борьбе с детонацией. Только не путайте это ни с какими «водородными ячейками»: здесь водород применяется абсолютно традиционно – как сжиженный газ в автомобилях с газобаллонным оборудованием.

Вскоре стало известно, что новый двигатель будет использоваться для гибридных силовых установок, благо компактность позволяет легко объединять его в блок и с генератором, и с электромотором.

В общем, делать большие и мощные традиционные двигатели (и обычные, и роторные) в гибридах практически нет смысла – поможет электромотор. Зато к экологическим показателям, к энергоэффективности и даже энергосбережению требования остаются высочайшими.

В борьбе за каждый процент экономии

Дальнейшие улучшения в сторону выполнения этих требований даются буквально крошечными шагами, за которыми тем не менее стоит огромный труд. Занимавшиеся спортом знакомы с подобным: улучшить результат на 10 секунд сразу проще, чем потом улучшать его на одну секунду, а потом – на десятую долю секунды… Вот и повышение энергоэффективности требует столь же серьезных усилий. Каждый новый процент улучшений дается нелегко. Поэтому появление энергосберегающих масел стало важным шагом, хотя и не позволило заявить, что автомобиль стал в разы или хотя бы на десятки процентов экономичнее.

Энергосберегающие масла – это не «лирическое» определение. Их качества вполне четко описаны, а система оценки регламентирована. Сертификационная проверка осуществляется по вполне стандартным методикам, используются сравнения с эталонными маслами. Стоит напомнить и о той части нашего рассказа, где мы говорили о различных стандартах – API, ACEA, ILSAC. В каждой из этих систем для энергосберегающих масел выделены вполне конкретные классификации и обозначения.

Но для начала предупредим, что речь пойдет только о современных двигателях: энергосберегающие масла ориентированы именно и только на них. Будучи примененными по назначению, они действительно способствуют повышению топливной эффективности и снижению содержания вредных веществ в выхлопе, облегчению запуска. Наиболее заметен эффект в условиях высокого расхода топлива – например, в городе. В этом случае энергосберегающее масло поможет сберечь до 5% топлива. Но в среднем принято говорить о более скромных значениях – примерно 3%. Немного? Да, сейчас борьба идет именно за такие проценты – время улучшать результаты на 10 секунд давно в прошлом.

Благодаря специально подобранным современным пакетам присадок энергосберегающие масла способны эффективно работать во всех режимах. Загущающие присадки позволяют вязкости буквально «саморегулироваться» в зависимости от оборотов двигателя, температуры, давления в конкретной точке, от скорости смещения слоев в масляной пленке относительно друг друга. Они способны обеспечить соответствие вязкости нужному уровню и при отрицательных температурах, и при 100 градусах и при 150. Присадки-модификаторы трения вступают в дело при граничном режиме смазки. Благодаря им на поверхностях пар трения формируется эластичная и адаптирующая «геометрию» этих поверхностей пленка-покрытие, также значительно снижающая коэффициент трения.

Вернемся к маркировкам. Во-первых, энергосберегающие моторные масла, как правило, имеют относительно низкую высокотемпературную вязкость по стандарту SAE J300 – обычно это 0W-20, 0W-30, 5W-20 или 5W-30. Мы уже рассказывали, что, помимо вязкости по SAE, на упаковке обычно указывается сертификация по стандарту Американского института нефти API. Например, SL/CF, где первая буква в каждой паре обозначает тип двигателя: S – бензиновый (Spark ignition), С – дизельный (Compression ignition). Если масло относится к классу энергосберегающих, в самом конце этой строки ставится аббревиатура ЕС – Energy Conserving (или RC – Resource Conserving). То есть полностью обозначение будет выглядеть: SAE 5W-30 SL/CF (RC). В классификации масел по стандарту Ассоциации европейских производителей автомобилей АСЕА для обозначения энергосберегающих масел выделены отдельные категории А1, А5 (для бензиновых двигателей), В1-02 и В5-02 (для легковых дизельных), а также С1, С2, С5 (для бензиновых и легковых дизельных двигателей). В международной же классификации ILSAC (Комитета по стандартизации и одобрению смазочных материалов), разработанной совместно американскими и японскими автопроизводителями, энергосберегающими являются масла всех классов и обозначаются символами GF-6, GF-5 и ниже. То есть в этом случае полное обозначение может выглядеть как-то так: SAE 5W-20, ILSAC GF-5/API SN-RC

На разные случаи жизни

Кстати, в конце предыдущей части приведен вполне конкретный пример: такое масло есть в современной линейке Synthetic бренда G-Energy. За десять лет своего присутствия на рынке G-Energy удалось сделать важнейший шаг – разработать собственное синтетическое базовое масло G-Base. Важен этот шаг потому, что способны на него лишь наиболее передовые, серьезные компании, имеющие достаточные технологические возможности, ведущие наукоемкие исследования и разработки.

А уже на основе G-Base, используя уникальные пакеты присадок, под брендом G-Energy смогли создать целую линейку синтетических масел, соответствующих самым высоким и самым разнообразным требованиям. А зачастую и превосходящих эти требования.

К примеру, маркировку SAE 0W-20, ILSAC GF-5/API SN RC можно увидеть на упаковке масла G-Energy Synthetic Far East, разработанного специально для автомобилей японского и корейского производства и учитывающего все особенности их двигателей (в частности, некоторые отличия используемых пластиков и резин). Хоть для упомянутых в предыдущей части роторных двигателей Mazda в составе гибридных силовых установок! Маркировка SN здесь, как мы помним, дает понять, что масло ориентировано на бензиновые двигатели. А ILSAC GF-5 указывает на то, что оно относится к классу энергосберегающих. Кстати, конкретно у этого масла есть и другие варианты вязкости SAE – 5W-20, 5W-30 и 10W-30.

В линейке Synthetic на основе того же базового масла G-Base есть и другие продукты, созданные благодаря уникальным наборам присадок, а фирменная технология ACF (Adaptive Components Formula) позволяет усиливать необходимые свойства синтетических масел G-Energy в режимах повышенной нагрузки. Масло Synthetic Super Start 5W-30 не только имеет улучшенные низкотемпературные свойства и обеспечивает более легкий пуск двигателя, но и ориентировано на современными дизельные двигатели с сажевыми фильтрами DPF и катализаторами.

Как нетрудно догадаться из названия, масла G-Energy Synthetic Active (а они представлены в двух вариантах вязкости – 5W-30 и 5W-40) учитывают тонкие особенности мощных, высокооборотистых двигателей и спортивного стиля вождения, обеспечивая максимальную защиту. Зато для двигателей с сажевыми фильтрами они, наоборот, не рекомендуются. Как и масло Synthetic Long Life 10W-40, разработанное как для новых двигателей, так и для двигателей, уже имеющих солидный пробег. Для него была подобрана формула, минимизирующая расход на угар и повышающая степень защиты от износа, что обеспечивает двигателю не только долгий срок службы, но и чистоту.

Тот самый виток спирали

Рано или поздно электромобили все-таки возьмут верх – сомневаться в этом не приходится. Собственный бензиновый (или тем более дизельный) автомобиль – да еще и не автопилотируемый – вообще станет атрибутом роскоши! Да-да, именно такие предположения были высказаны в ходе футурологического исследования, проведенного Bentley совместно с одним из престижнейших британских университетов. К концу ХХI века автомобили с ДВС могут вернуться в статус «дорогой игрушки не для всех» – совсем как на заре автомобилизации, в конце XIX века. Такой вот виток эволюции. Рынок собственно моторных масел тоже станет нишевым.

Но, помните, мы говорили о том, что для производителей автомобилей переход к электрификации означает не конец бизнеса, а новые возможности? Так и нефтехимики не унывают. Электродвигателям и электромобилям тоже понадобятся всяческие специальные смазки, охлаждающие и гидравлические жидкости. Кто-то из производителей перейдет на схемы «мотор-колеса», но кто-то будет еще долго использовать более традиционные трансмиссии – а им нужны масла и жидкости. Даже рынок индустриальных масел несколько изменится – к примеру, явно будет расти спрос на продукцию для редукторов ветрогенераторов по мере развития этого способа выработки электроэнергии. Так что и здесь с новыми возможностями все в порядке! У компании «Газпромнефть-смазочные материалы», в частности, есть индустриальные продукты, готовые к использованию и для ветрогенераторов, – уже имеются в линейке. Рынок представит новые запросы – будут найдены ответы и на них. А наш разговор об истории двигателей внутреннего сгорания на этом, увы, подошел к концу. И даже затронутая сегодня тема электромобилей – это уже совсем другая история. Которой предстоит складываться на наших с вами глазах.

ДВС или электричество.

Какие двигатели будут работать в машинах будущего? | Об автомобилях | Авто

16.04.2020 17:35

Владимир Гаврилов

Примерное время чтения: 4 минуты

3324

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

Будущее без бензина: как заработать на отказе от двигателей внутреннего сгорания

По прогнозам экспертов, к 2030 году более половины всех продаваемых в мире автомобилей будут электрическими. О том, как заработать на мировом тренде, в своей колонке для Forbes рассуждает партнер Capital Lab Евгений Шатов

Автомобили с двигателем внутреннего сгорания постепенно уйдут в прошлое. Их продажу Норвегия запретит с 2025 года, Япония — с 2035, Сингапур — с 2040 года. Резко ограничить или запретить продажу таких машин собираются в Великобритании, Германии и Канаде. А с 2040 года наступит полный запрет на продажу любых грузовиков с традиционными моторами по всей Европе.

В 2019 году доля электромобилей в мировых продажах машин составляла 2,5%, по итогам 2020-го она выросла почти в два раза — до 4,2%. Эти факторы указывают на сильный рост производства электрокаров в ближайшие годы, главным «узким горлом» которого станут аккумуляторы.

Один из главных компонентов аккумуляторов — литий, который также используется в производстве аккумуляторов для смартфонов, ноутбуков и другой техники. Рост спроса на электромобили может привести к нехватке лития (а также кобальта и палладия), так как на производство аккумулятора для электрокара необходимо в десятки раз больше металла, чем при изготовлении мелкой техники. Согласно недавнему исследованию Международного энергетического агентства (МЭА) «Роль критических минералов в переходе к чистой энергии», в 2040 году спрос на литий может вырасти в 50 раз.

Производители электрокаров и современных аккумуляторов, способных удерживать заряд на больших расстояниях, нуждаются также в кобальте, графите, марганце и редкоземельных элементах для их двигателей и батарей. Кобальт, например, входит в состав электродов литиевых аккумуляторов, которых в свете зеленых инициатив властей во всем мире требуется все больше и больше. Это означает, что спрос на кобальт начинает превышать предложение, и шансов изменить это очень мало. МЭА прогнозирует рост спроса на кобальт и графит в 30 раз в случае замены автомобилей с масляным приводом на электромобили.

Прибрать за Маском: как бывший техдиректор Tesla зарабатывает на старых литий-ионных аккумуляторах

Растущий спрос, конечно, будет стимулировать промышленность осваивать новые запасы полезных ископаемых, но их потенциальные источники ограничены, а процесс доставки — дорогостоящий и сложный. Другими словами, мир может столкнуться с серьезной нехваткой критически важных материалов и существенными колебаниями цен на них.

Вызывает опасения то, что добыча и производство этих металлов сконцентрированы на небольшой территории нескольких стран. По данным МЭА, 80% мирового кобальта поставляет Демократическая Республика Конго, 70% редкоземельных металлов — Китай (в этом сегменте работают China Rare Earth (0769 HK), MMG (1208 HK), Ganfeng Lithium (1772 HK), производство лития в основном осуществляется в Аргентине и Чили (вместе они дают почти 80% мировых поставок), в то время как четыре страны — Аргентина, Чили, ДРК и Перу — обеспечивают большую часть меди на рынке.

Инвестиционные возможности

В последние несколько лет поддерживать тренд перехода на электрокары стало проще благодаря IPO таких компаний, как Tesla, Nio, Nikola Motor и других разработчиков электрокаров. В то же время эти компании сейчас очень высоко оценены рынком и зависят от внешних вливаний. Кроме того, есть риск со стороны разработок традиционных автопроизводителей — можно ожидать сильную волатильность акций (вплоть до массового банкротства) в случае провала или неудачных запусков их пилотных проектов. Например, Tesla только в последней отчетности показала выход на безубыточность основного направления бизнеса без учета продажи налоговых кредитов традиционным автопроизводителям.

Еще одним вариантом поучаствовать в тренде на электрификацию автомобильного транспорта в будущем является покупка акций производителей традиционных автомобилей (General Motors, Ford, Toyota, BMW, Hyundai, Volkswagen и др.), которые также делают успехи в этом направлении, активно разрабатывают и даже уже производят собственные EV пока в небольших объемах. Это также ставка на будущее, но уже без взрывного роста. Эти компании более понятны инвестору, они давно на рынке и финансируют капитальные затраты из собственного денежного потока.

Неизбежный крах: почему современный автопром не переживет массового распространения электромобилей

Производители аккумуляторов

Еще одна большая группа бенефициаров тренда — производители аккумуляторов, которых можно разделить на три группы: LFP-батареи, NMC-аккумуляторы и аккумуляторы с твердотельным электролитом.

LFP-батареи (аккумуляторы на основе фосфата железа) используются, в частности, в младших версиях электромобилей Tesla китайской сборки. Аккумуляторные ячейки на основе фосфата железа хуже переносят низкие температуры, но более устойчивы к перегреву и обладают более длительным сроком службы. Лидером на рынке является китайская компания Contemporary Amperex Techn (CATL) с долей в 31,5 %, акции доступны на Шэньчжэньской бирже. За ней следуют корейские игроки LG Energy Solution, Samsung SDI и SK Innovation. Две последние компании также публично торгуются.

Более дорогие NMC-аккумуляторы (литий-никель-марганец-кобальт-оксидные) имеют меньший ресурс и более подвержены воспламенению в результате механических повреждений, но компенсируют это лучшей отдачей в морозную погоду и большей плотностью хранения заряда. Ведущими производителями выступают LG Energy Solution и Panasonic (публичная компания).

На аккумуляторы с твердотельным электролитом делают ставку в том числе и крупнейшие автопроизводители мира: Toyota, Volkswagen, Ford, BMW, Hyundai и др. Volkswagen инвестирует в QuantumScape, Toyota разрабатывает такие аккумуляторы своими силами, а Ford и BMW недавно вложили $130 млн в американскую компанию Solid Power (работает с 2017 года). Уже в следующем году Solid Power начнет пилотное производство тяговых батарей с твердотельным электролитом. К серийному производству планируется приступить еще через несколько лет.

Корейская Hyundai начнет массовое производство таких батарей лишь к 2030 году, причем само производство будет поручено сторонним компаниям — сами корейцы лишь участвуют в разработке технологии. Еще одним серьезным игроком на рынке батарей с твердотельным аккумулятором может стать крупная тайваньская компания Foxconn, известный контрактный производитель мобильной и компьютерной техники, в частности, по заказу Apple. Коммерческое производство аккумуляторов Foxconn планирует запустить в 2024 году, а первые прототипы будут изготовлены уже в этом году. QuantumScape — единственная публичная компания, непосредственно занимающаяся разработкой. Сейчас нет готового продукта, и ожидается, что компания будет убыточна до 2023 года. Компания вышла на IPO в конце 2020 года. Ее аккумуляторы должны быть готовы к выходу на рынок в ближайшие пять лет.

Отходы с зарядом: бывший топ-менеджер Tesla придумал способ сделать электромобили дешевле

Перспективы рынка

Перспективы рынка аккумуляторов для электромобилей очевидны: автомобильная индустрия активно отказывается от машин с двигателем внутреннего сгорания в пользу экологически чистого (условно) транспорта. Например, только на территории Китая и только в этом году было анонсировано строительство 22 новых предприятий по производству тяговых аккумуляторов для транспорта. Инвестиции в эти проекты насчитывают $24,9 млрд.

У Индонезии также есть амбициозные планы в отношении батарей для электрокаров. Страна хочет стать мировым центром производства литиевых аккумуляторов, и у нее есть к этому все предпосылки. Индонезия обладает 22% мировых запасов никеля, в год она производит до 30 % этого металла в мире. Руководство страны еще в 2019 году ввело ограничения на экспорт минеральной руды, что существенно повысило стоимость никеля на бирже. С тех пор ведутся переговоры с зарубежными компаниями о строительстве предприятий по производству аккумуляторов на территории Индонезии. Уже достигнуто соглашение с LG Energy Solution о создании предприятий, подразумевающих полный цикл производства батарей — от добычи никеля до получения готовых аккумуляторов. Корейцы собираются вложить в этот проект около $10 млрд. Также ведутся переговоры с компаниями Tesla, CATL, BASF, Eramet, так что, возможно, уже через пять лет индонезийские предприятия будут поставлять значительное число аккумуляторов на мировой рынок.

Американские автопроизводители также понимают перспективы рынка тяговых батарей: на территории США в ближайшее десятилетие появится не одно новое предприятие по производству таких товаров. К примеру, Ford и южнокорейская компания SK Innovation основали совместное предприятие под названием BlueOvalSK. Новая компания планирует уже к 2025 году выйти на мощность в 60 ГВт*ч суммарной емкости выпускаемых на производстве батарей, этого будет достаточно для комплектования 600 000 электромобилей. Компании вложат в новый проект не менее $5,3 млрд в ближайшие пять лет.

Еще одна южнокорейская компания LG Energy Solution инвестирует $4,5 млрд в производство аккумуляторов на территории США в ближайшие четыре года. Строительство первого завода в Огайо в партнерстве с General Motors уже близится к завершению. Планируемая мощность предприятия — 35 ГВт*ч. В планах LG Energy Solution также строительство второго завода — на территории Теннесси.

Курс на зеленую энергетику, поддерживаемый многими странами мира, меняет современную реальность. Появление новых индустриальных игроков с сопутствующей трансформацией существующих цепочек поставок открывает множество инвестиционных возможностей. Правильный выбор целей и момента для входа в них способны приумножить капитал инвесторов.

​​При участии Ольги Веретенниковой и Михаила Никитина (Borsell Research)

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора

Tesla Semi. Миллиардер Илон Маск показал электромобили будущего

9 фото

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

20 июля 2016 г.

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 гибридной системой сгорания 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

Двигатели внутреннего сгорания, расширенное будущее

По словам представителя Ford, 67% заказов на Maverick 2022 года приходится на стандартный гибридный силовой агрегат. (Форд)

2022-04-12

Ками Буххольц

Цепочка поставок

в краткосрочной перспективе будет выполнять двойную функцию для поддержки гибридных силовых агрегатов и силовых агрегатов с двигателем внутреннего сгорания.

Переход на электрифицированные автомобили в портфолио OEM-производителей продолжается, но двигатели внутреннего сгорания (ДВС) будут продолжать использоваться в миллионах новых автомобилей в течение еще неопределенного периода, по словам высших руководителей силовых агрегатов. «Давайте просто скажем, что к концу десятилетия это будет смесь 50/50 ICE и BEV [аккумуляторных электромобилей]. Но на этот 50-процентный ДВС сильно повлияют гибриды», — сказал Дэвид Филипе, вице-президент по аппаратным модулям транспортных средств в Ford Motor Company, во время панельной сессии «The Future Powertrain-Propulsion Portfolio Challenge» 7 апреля на конференции SAE WCX 2022.

Филипе представил следующую статистику: из заказов, принятых на сегодняшний день на Ford Maverick 2022 года, 67% приходится на стандартную гибридную трансмиссию компактного пикапа, 2,5-литровый 4-цилиндровый двигатель с циклом Аткинсона и мощностью 191 л.с. (142 кВт). в сочетании с электродвигателем. Дополнительным двигателем Maverick является 2,0-литровый бензиновый двигатель EcoBoost мощностью 250 л. с. (186 кВт). Филипе подтвердил, что в будущем Ford выпустит больше гибридов.

Четверть продаж автомобилей Toyota в прошлом году приходилось на электрифицированные автомобили, подавляющее большинство из которых гибриды. Будущее автопроизводителя включает в себя электромобили, гибридные и подключаемые гибридные автомобили, а также электромобили на топливных элементах. «Мы не верим, что универсальный подход сработает», — сказал аудитории SAE Данте Бутелл, вице-президент по разработке силовых агрегатов Toyota North America. «Есть клиенты, у которых есть особые потребности, требующие нескольких технологий и систем».

Ведущие эксперты по силовым агрегатам обсуждают будущее ДВС + электрификации на SAE WCX 2022. Слева направо: модератор и ветеран AVL Рэй Корбин на подиуме; Дэн Николсон из GM; Данте Бутелл из Toyota; Эндрю Клеменс из Denso и Дэйв Филипе из Ford. (Адам Изович/SAE)

Путь General Motors к нулевым выбросам включает 30 новых электромобилей к 2025 году. Автопроизводитель инвестирует 35 миллиардов долларов до 2025 года в свои портфели электромобилей и автономных транспортных средств. «К концу десятилетия мы намерены стать лидером рынка электромобилей на рынке США», — заявил Дэн Николсон, вице-президент GM по глобальной электрификации, управлению, программному обеспечению и электронике. Несмотря на то, что электрифицированные транспортные средства добиваются значительных успехов, Филипе из Ford прогнозирует, что ДВС будут в ходу еще 10, 15, а возможно, и 20 лет. Николсон из GM сказал: «Я не знаю ни одного OEM-производителя, который сделал свой последний двигатель [IC] или закончил с [ICE]».

Поддержка автомобилей с ДВС
Затянувшийся переход от автомобилей с двигателями ДВС к электромобилям делает цепочку поставок очень загруженной. «Рынок для ДВС останется, и база поставщиков будет испытывать трудности из-за разнообразия необходимых технологий», — сказал Эндрю Клеманс, старший вице-президент по экологическим технологиям и руководитель подразделения электрификации в Denso North America.

Переход на электромобили требует баланса с ДВС. Филипе из Ford отметил, что в последнее десятилетие обычные силовые агрегаты обычно обновлялись каждые три-пять лет — «очень быстрый темп обновления технологий», — сказал Филипе. «Мы собираемся замедлить это. Но нам все еще нужно делать обновления, чтобы соответствовать текущим требованиям к выбросам.

По словам Бутелла из Toyota, независимо от того, связаны ли обновления технологии ДВС с соблюдением нормативных требований, с производительностью или с затратами, скорее всего, появятся возможности для коммерциализации и упрощения вещей. «Хотя на электрификацию будет направлено много денег и много рабочей силы, мы все равно должны обращать внимание на двигатели, которые у нас есть на рынке и будут на рынке еще много лет», — сказал он.

Клеменс из Denso сказал, что, хотя поставщики следуют примеру своих OEM-клиентов, «мы должны выбирать и фокусироваться на том, что, по нашему мнению, может принести наибольшую пользу нашим клиентам», — сказал он. Denso «очень сосредоточена» на технологиях электрификации, но «мы не собираемся оставлять наших клиентов без выбора в области ДВС, поэтому мы продолжим поддерживать это», — заявила Клеманс.

Воздействие на персонал
Предоставление технологий для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и электрифицированных транспортных средств побудило Denso подготовить свой персонал и распределить ресурсы по различным группам продуктов. «Чтобы мы не застряли в бункерах, мы даем сотрудникам возможность ротации, повышения квалификации, переквалификации, чтобы мы могли перепрофилировать их в этих новых областях, которые будут важны для нашего успеха в будущем. ,» он объяснил.

На фронте электромобилей захват покупателей, помимо первых пользователей, означает, что отрасль должна найти способы уменьшить беспокойство по поводу запаса хода и другие так называемые проблемы. Водителям электромобилей необходимо найти надежную, готовую к использованию быструю зарядку в пути. «Наши парки разработчиков чувствуют боль, которую испытывают клиенты», — сказал Николсон из GM. Бутелл из Toyota добавил: «Чтобы добиться массового внедрения электромобилей, нам нужно обратиться к клиентам, и одной из ценностей является удобство».

Продолжить чтение »

Двигатели будущего — ASME

За последние несколько лет автомобильный транспорт добился значительных успехов в том, что считается альтернативными технологиями. Накопление энергии, системы электропривода и технология топливных элементов, кажется, готовы занять значительное место на автомобильном рынке.

Но было бы ошибкой полагать, что такие технологии полностью отметут то, что было раньше. Вместо этого двигатель внутреннего сгорания в обозримом будущем останется неотъемлемой частью перевозки людей и грузов.

Это не значит, что все останется так, как сейчас. Двигатель претерпевает значительную эволюцию, поскольку новые стандарты экономии топлива и выбросов в секторах легких и тяжелых грузов подталкивают развитие новых технологий в беспрецедентных масштабах к теоретическим пределам работы двигателя. В сочетании с продолжающимися исследованиями фундаментальных процессов двигателей, внедрением доступных высокопроизводительных вычислений и внедрением передовых производственных технологий во всей отрасли эти новые технологии открывают потенциально революционные возможности для внедрения двигателей с необычайно высокой эффективностью. То, как эти новые двигатели работают и как они будут интегрированы в новую архитектуру транспортных средств, станет историей личной мобильности в этой половине 21-го века.

Со своей должности в Национальной лаборатории Ок-Ридж я смог увидеть пересечение открытия знаний, разработки передовых технологий двигателей и транспортных средств и использования уникальных вычислительных ресурсов. Хотя общественность склонна считать исследования автомобилей и двигателей чисто частным делом, мои коллеги и я в ORNL помогаем реализовать весь потенциал эффективности двигателей внутреннего сгорания.

За последнее столетие двигатель внутреннего сгорания претерпел значительные изменения. До 1970 эволюция конструкции двигателя была обусловлена ​​стремлением к повышению производительности и увеличению октанового числа в топливе. С тех пор, однако, императивом стала необходимость соблюдения новых норм выбросов и экономии топлива.

Виталий Приходько из отдела исследования топлива, двигателей и выбросов ORNL, изучающего передовые катализаторы, которые используются для снижения загрязнения окружающей среды транспортными средствами. Изображение: ORNL

Эффективность двигателя внутреннего сгорания исторически ограничивалась скорее уровнем технологий, чем инновациями. Например, потенциал таких технологий, как прямой впрыск бензина, был известен и был опробован в производстве более 50 лет назад, но прямой впрыск стал широко доступен в производстве только в последнее десятилетие и в настоящее время составляет примерно 38 процентов новых легковых автомобилей. продажа служебных автомобилей. Другим примером являются режимы низкотемпературного сгорания, такие как воспламенение от сжатия гомогенного заряда, при котором топливо и воздух впрыскиваются во время такта впуска, а затем сжимаются до тех пор, пока вся смесь не начнет спонтанно реагировать, которые были продемонстрированы в лаборатории более 30 лет назад, но сейчас еще много лет до выхода на рынок.

Достижения последних лет, которые меняют правила игры, связаны с усовершенствованием технологий двигателей, датчиков и встроенной вычислительной мощности. Эта комбинация технологий обеспечит беспрецедентный контроль над процессом сгорания, что, в свою очередь, позволит реализовать в реальных условиях низкотемпературное сгорание и другие передовые стратегии, а также повысить надежность и топливную гибкость. На самом деле технологические достижения стирают наше историческое различие между двигателями с искровым зажиганием и двигателями с воспламенением от сжатия; мы увидим новые концепции двигателей, которые сочетают в себе лучшие характеристики обоих типов двигателей, чтобы расширить границы эффективности и соответствовать строгим мировым нормам по выбросам.

Стремление к созданию двигателей с более высоким КПД изменит температуру и химический состав выхлопных газов и может создать проблемы для технологий контроля выбросов.

Например, новые двигатели с более высоким КПД будут иметь более низкую температуру выхлопных газов из-за более эффективной работы поршня. Более низкие температуры отработавших газов, в свою очередь, потребуют разработки новых технологий контроля выбросов, которые должны быть не только эффективными при низких температурах, но и выдерживать высокие температуры отработавших газов в условиях высокой нагрузки.

;пользовательский разрыв страницы;

Даже самые эффективные и надежные двигатели никогда не появятся на рынке, если система транспортного средства не будет соответствовать нормам выбросов. Но это не первый случай, когда для перехода технологии сжигания на рынок потребовались значительные достижения в области контроля выбросов. Достижения в области каталитических технологий более 40 лет назад имели решающее значение для соблюдения новых норм выбросов; эффективность катализаторов для обычных двигателей с искровым зажиганием с тех пор улучшилась в 100 раз, при этом удалось добиться существенного сокращения дорогостоящих металлов платиновой группы. Решение новых задач является очень активной областью исследований в ORNL и других национальных лабораториях Министерства энергетики США, а также в промышленности.

Процессы низкотемпературного сжигания представляют значительный интерес благодаря очень высокому тепловому КПД при значительном снижении содержания загрязняющих веществ по многим критериям. Как упоминалось выше, LTC был проблемой из-за состояния технологии: в отличие от обычных режимов сгорания с искровым зажиганием и воспламенением от сжатия, большинство режимов LTC контролируются кинетическим путем и, следовательно, гораздо более чувствительны к условиям окружающей среды и постоянно меняющимся требованиям скорости / нагрузки. . Недавние достижения в таких передовых технологиях, как системы впрыска топлива, турбомашины, срабатывание клапанов, датчики и бортовые компьютеры, привели к новым возможностям управления в режиме реального времени, которые раскрывают потенциал двигателей LTC с пригодным для производства оборудованием.

Стеклянные капилляры диаметром порядка человеческого волоса позволяют проводить отбор проб загрязнителей выхлопных газов внутри проточных каналов каталитических нейтрализаторов (слева), что дает критическое представление о химическом процессе для всего устройства (ниже). Фото: ORNL

Горение бензина с воспламенением от сжатия — это усовершенствованный режим горения, которому в последние годы уделяется значительное внимание. Хотя сжигание GCI не является новой концепцией, она эволюционировала за последние несколько десятилетий по мере совершенствования технологий. Ранее исследования GCI были сосредоточены в первую очередь на горении с воспламенением от сжатия гомогенного заряда, но в последние годы мы наблюдаем растущий интерес к непрерывному диапазону режимов сгорания GCI, охватывающих полностью гомогенный HCCI, режимы частичного расслоения топлива и режимы полного расслоения, которые аналогичны дизельным двигателям. исполнение. Эти технологии также вызвали большой интерес к сжиганию с воспламенением от сжатия с регулируемой реактивностью (RCCI), в котором используются различия в реактивности двух видов топлива для управления процессом сгорания с максимальной эффективностью при минимально возможных выбросах.

Понимание потенциала этих режимов сгорания, а также понимание проблем выбросов и контроля выбросов и возможностей топливных технологий — составляет основу многих видов топлива, двигателей и исследований выбросов в ORNL и основывается на более чем двадцатилетнем опыте в этой области. эти области. Это исследование также включает подробное сравнение режимов сгорания GCI и RCCI, чтобы лучше понять проблемы и возможности с точки зрения эффективности, выбросов, шума и управляемости. В то же время другие национальные лаборатории проводят дополнительные и синергетические исследования, предоставляя новые знания в таких областях, как основы сгорания, передовые технологии двигателей, распыление и моделирование.

Стабильность и управляемость были главными препятствиями на пути реализации многих передовых режимов горения. Многие низкотемпературные режимы сгорания, такие как GCI и RCCI, работают на грани стабильности, другими словами, в условиях, при которых очень небольшие изменения граничных условий двигателя (например, температуры на впуске) могут привести к непреднамеренным отклонениям, которые приводят к нежелательным выбросам. снижение эффективности и возможность выхода из строя двигателя или системы контроля выбросов. Можно представить себе проблему этих типов режимов сгорания в постоянно меняющихся условиях реального ездового цикла, когда одно непреднамеренное отклонение может иметь катастрофические последствия. Для решения этой задачи требуется система управления, которая прогнозирует предотвращение, а не реагирует после возникновения потенциально опасного события.

ORNL имеет долгую историю улучшения понимания и контроля этих нестабильностей сгорания, чтобы расширить рабочее окно и получить преимущества передовых режимов сгорания. Это исследование и подход основаны на теории детерминистского хаоса и с годами эволюционировали от искрового воспламенения с высоким разбавлением до горения GCI и RCCI в последние годы.

Исследование ORNL показало, что для этих режимов сгорания циклическая дисперсия состоит из стохастических или случайных процессов, вызванных смешиванием топлива с воздухом в цилиндре, и детерминированных, или неслучайных, процессов, вызванных предыдущим событием сгорания через остаточные газы. Результирующий высокий уровень нестабильности дополнительно усиливается за счет вариаций от цилиндра к цилиндру. В то время как высокий уровень нестабильности представляет собой проблему, существование детерминированной структуры — неслучайного поведения — открывает потенциал для краткосрочного прогнозирования и контроля и, в конечном итоге, для принудительной стабилизации изначально нестабильных режимов горения.

Такого рода прогнозирование и контроль были бы немыслимы с жизнеспособными технологиями даже 10 лет назад. Однако с недавними значительными достижениями в области недорогих датчиков, быстрых исполнительных механизмов и бортовых компьютеров такой уровень контроля станет возможным на серийных автомобилях в самом ближайшем будущем.

В то время как значительный прогресс в технологиях управления двигателем, датчиках и бортовых компьютерах ведет к беспрецедентным возможностям, эта работа также ведет к постоянно расширяющемуся и неуправляемому пространству параметров в современных двигателях. Текущие тенденции показывают экспоненциальное увеличение пространства параметров, которое, как ожидается, продолжит расти в обозримом будущем. Неспособность эффективно и действенно оптимизировать это пространство параметров приводит к тому, что на рынке появляются неоптимальные двигатели, и возникает потребность в новых подходах к проектированию и оптимизации двигателей.

;пользовательский разрыв страницы;

Элементы управления на основе моделей и самообучающиеся будут важны для более надежной и оптимальной калибровки, а также для ускорения процесса калибровки. Существующие подходы к калибровке двигателей зависят в первую очередь от справочных таблиц, экспериментально полученных алгоритмов взаимодействия параметров и ручной оптимизации калибровочных транспортных средств. Элементы управления на основе моделей сократят количество экспериментов, в то же время лучше представляя сложные взаимодействия аппаратного обеспечения двигателя. Самообучающиеся элементы управления сделают еще один шаг вперед, чтобы обеспечить автономные интеллектуальные системы, которые будут иметь возможность обучаться, адаптировать и манипулировать органами управления двигателем, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать выбросы при постоянно меняющихся требованиях к транспортному средству.

Самообучающиеся элементы управления также станут критическим компонентом разработки подключенных и автономных транспортных средств, которые используют информацию от транспортного средства к транспортному средству и от транспортного средства к инфраструктуре для дальнейшей оптимизации топливной экономичности двигателя и транспортного средства.

Более быстрое и более точное моделирование будет иметь важное значение для разработки и оптимизации следующего поколения двигателей внутреннего сгорания. Это будет важно для обнаружения важных знаний, управления постоянно расширяющимся пространством параметров и разработки моделей пониженного порядка, пригодных для реализации управления в реальном времени. Постоянное увеличение скорости вычислений и доступности высокопроизводительных вычислений открывает новые горизонты в разработке двигателей и транспортных средств, включая возможность решать проблемы, которые когда-то считались неразрешимыми.

Используя нейтроны для проникновения во внутреннюю структуру части двигателя, исследователи изучают кавитацию, физическое явление, которое приводит к образованию пузырьков внутри корпуса бензиновой топливной форсунки. Изображение: ORNL

Тенденции в стоимости высокопроизводительных вычислений указывают на то, что компьютеры «петамасштаба» (и выше) станут доступными для промышленности в течение десятилетия. Для справки, петафлоп — это один квадриллион операций с плавающей запятой в секунду. Теоретическая пиковая производительность суперкомпьютера ORNL Titan превышает 27 петафлопс. (Для сравнения, 28 петафлопс эквивалентны тому, что все 7 миллиардов человек в мире одновременно выполняют 4 миллиона вычислений в секунду.) Ценовая доступность и доступность этих типов ресурсов для промышленности будет революционной для проектирования и калибровки двигателей, поскольку а также транспортные средства.

Суперкомпьютеры в национальных лабораториях в настоящее время используются для поддержки Министерства энергетики и в сотрудничестве с промышленностью для улучшения моделирования аэрозолей, улучшенного сгорания и конструкции двигателя. ORNL реализует текущие проекты, в которых эти ресурсы используются для углубления понимания нестабильности сгорания, ускорения оптимизации конструкции форсунки и даже объединения высокоточных кодов сгорания и структурных кодов для прогнозирования свойств материалов.

ORNL недавно провела встречу отраслевых заинтересованных сторон с несколькими другими национальными лабораториями, чтобы изучить следующие шаги в использовании огромной мощности высокопроизводительных вычислений для проектирования транспортных средств. В частности, встреча была посвящена потенциалу высокопроизводительных вычислений и заинтересованности отрасли в разработке интегрированной программной среды для объединения нескольких технологий для мультифизического полного трехмерного высокоточного моделирования транспортных средств с целью использования возможностей следующее поколение передовых вычислительных архитектур.

Новая среда моделирования будет разработана специально для транспортных средств на основе недавнего опыта разработки аналогичных сред для ядерных реакторов и батарей. В качестве примера рассмотрим интеграцию высокоточных 3D-моделей для интегрированного проектирования управления температурным режимом, аэродинамикой и структурой: этот подход не только может значительно ускорить процесс проектирования, но и выявить синергетические возможности, выходящие за рамки возможного. могут быть отождествлены с более традиционными подходами.

Большая часть обсуждений до сих пор была сосредоточена на поиске новых знаний и разработке более совершенных технологий двигателей — все области, находящиеся под контролем производителей автомобилей и двигателей. В настоящее время в Министерстве энергетики и национальных лабораториях реализуется амбициозная программа, направленная на совместную оптимизацию технологий топлива и двигателей для достижения максимальной производительности при минимальных выбросах парниковых газов, другими словами, устранение ограничений, налагаемых современными видами топлива на конструкцию двигателя.

;пользовательский разрыв страницы;

Программа «Оптима» объединяет обширный опыт и ресурсы Управления транспортных технологий и Управления биоэнергетических технологий Министерства энергетики. Общий план включает краткосрочную фазу, основанную на современных технологиях двигателей с целью появления на рынке к 2025 году новых топливных и автомобильных технологий, а также более долгосрочную и, возможно, более амбициозную фазу, сосредоточенную на кинетически контролируемых процессах сгорания и топливные технологии, влияние которых ожидается в период до 2030 года. Команда Optima тесно сотрудничает с широким кругом заинтересованных сторон, представляющих производителей автомобилей и двигателей, энергетические компании, производителей биотоплива, дистрибьюторов топлива и розничных продавцов, а также выявляет и решает потенциальные проблемы с внедрением для обеспечения максимального успеха.

Одним из способов сокращения выбросов двигателя является снижение нагрузки на автомобиль. Моделирование на суперкомпьютере, проведенное в Ок-Ридже, смоделировало систему, которая могла бы уменьшить лобовое сопротивление и повысить эффективность грузовых перевозок дальнемагистральных грузовиков. Изображение: Майкл Мэтисон, ORNL

Сочетание новых правил, ожиданий потребителей и изменяющейся роли двигателей внутреннего сгорания с усовершенствованной архитектурой транспортных средств повышает требования к двигателям следующего поколения и развитию технологий в ускоренном темпе. Один из руководителей автомобильной отрасли недавно сказал, что за последние 10 лет двигатель изменился больше, чем за предыдущие 100 лет.