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.

Закончили чтение тут

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

Двигатель будущего? | 63.ru — новости Самары

Все новости

В Самарской области охотникам разрешили убить 179 кабанов

«Ее мать потащила нас в «Ашан»»: самарцы рассказали о самых странных первых свиданиях

Застройщики в Сочи нашли золотую жилу. Во что превращают город, имевший когда-то звание всероссийской здравницы

«Лучше бы детский сад построили»: самарцы раскритиковали ТЦ на месте рынка «Шапито»

У площади Кирова расчистили площадку для еще одного ТЦ: видео

Минобороны впервые опубликовало кадры с Путиным в штабе спецоперации: новости СВО за 17 декабря

«Не хочу вернуться в то тело»: как выглядит девушка, похудевшая на 200 кило (фото до и после)

В самарском метро пассажир спрыгнул с платформы

Похудевшая и цветущая: Кабаева появилась на открытии Академии гимнастики — СМИ отметили, что она сильно изменилась

Чисто наши! 6 забавных привычек русских, которые возмущают иностранцев, — а вы так делаете?

Учитель устроил вечеринку для детей с алкоголем и презервативами — видео из разгромленной квартиры

Названы сроки, когда в Самаре оборудуют проруби для купаний

Новогоднее платье за три миллиона: показываем самые дорогие праздничные наряды

В новогодние праздники в Самаре устроят облавы на торговцев пиротехникой

По Сети расходится видео об увеличении срока срочной службы. Это правда? Мы позвонили автору заявления

Стало известно, когда начнется реконструкция улицы XXII Партсъезда

«Прячут прыщики и мешки под глазами»: самарские мужчины ответили, зачем красятся женщины

«Оказалось, она встречалась с нами обоими». История парня, чьи первые отношения обернулись адом

В Минздраве назвали четыре признака, которые говорят об ухудшении ОРВИ

Голову сломаешь: 10 логических задач, с которыми вам не справиться

В мэрии рассказали, какой будет средняя зарплата самарцев к 2025 году

А по чесноку? Врачи объяснили, что будет, если каждый день есть лимоны и чеснок

В Самаре недалеко от Парка Победы грузовик сбил 86-летнюю бабушку

«Цыпленок превратился в красивую девушку»: дочь Веры Брежневой выросла и готова затмить звездную маму — смотрим фото

«Тяжелый люкс — в прошлом»: почему россиянок оставляют без норковых шуб и предлагают носить зеленые из экомеха

Синоптики: на Самарскую область обрушатся метель и ледяной дождь

Запретят удаленку? Как смогут работать те, кто уехал за границу

Власти озвучили новую схему перекрытия дорог из-за строительства метро в Самаре

Никто не позарился: в Самаре не нашлось желающих купить страшный квартал на окраине города

Влез в автобус — уже счастье: почему самарцы покупают жилье на окраинах города?

Окно в Европу: как теперь купить новый iPhone и кроссовки Nike по параллельному импорту

В Самаре снесут незаконную автомойку

Столкновение автогигантов: в Самарской области автобус вышиб фуру с трассы

Центробанк рассказал о нехватке рабочей силы в России из-за мобилизации: новости о СВО за 16 декабря

В Самаре выпустили на линию обновленные вагоны метро

Трехлетний мальчик с лопаткой вышел откапывать увязший в снегу автобус — смотрите самое милое видео этого года

«Все деревья поснесло»: неопознанные летающие объекты рухнули в Волгоградской области

«Звуки были очень страшные»: всё, что известно о падении неопознанных летающих объектов под Волгоградом

Минус 20 см без диет и спорта: модель раскрыла секрет, как быстро избавиться от выпирающего живота

Все новости

Поделиться

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания (РЛ ДВС) – двигатель, в котором давление расширяющихся газов воспринимают вращающиеся на валу лопасти. Заманчивая идея позволяет избавиться от недостатков поршневого двигателя, связанных с преобразованием поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Ротор не победил

Идея не новая – принципиальная схема роторно-лопастного двигателя была предложена сто лет назад, в 1910 году. Чтобы схема заработала, нужен был механизм, синхронизирующий работу лопастей. Реально работающий механизм появился только в середине прошлого века.

Немецкая фирма KHD в начале шестидесятых провела исследования роторно-лопастного двигателя с синхронизатором Коуэрца, но получила отрицательный результат. Главным отрицательным фактором стала неоптимальная работа синхронизатора.

К этому времени многие автостроительные компании начали всерьез заниматься разработкой роторно-поршневых двигателей Ванкеля. По сравнению с поршневыми двигатель Ванкеля обладал теми же преимуществами, что и роторно-лопастной. Ему не нужны были кривошипношатунный механизм и сложный механизм газораспределения.

Пионером в применении двигателя Ванкеля на автомобиле стала немецкая компания NSU. Выпущенный ей автомобиль NSU Spider, оснащенный роторно-поршневым двигателем мощностью 50 л.с., в 1963 году стал сенсацией. Через четыре года появился Ro-80 – переднеприводной автомобиль с двухсекционным роторно-поршневым двигателем мощностью 115 л.с.

Недостаточная долговечность роторного мотора и высокий расход топлива в сочетании с «детскими болезнями» самого автомобиля привели к падению спроса и кризису компании. В 1969 году NSU перестала существовать как самостоятельная компания, войдя в состав Audi.

Почти одновременно с NSU разработкой и внедрением роторно-поршневого двигателя занялась японская Mazda. Её первый автомобиль с двигателем Ванкеля появился в 1965 году. Направление посчитали перспективным, объемы производства роторных двигателей постоянно росли, ими оснащались новые модели автомобилей. К 1978 году был выпущен миллион автомобилей с роторными двигателями.

Японские конструкторы смогли существенно улучшить показатели роторного двигателя, но реальным конкурентом поршневому двигателю он так и не стал. Обладая несомненным преимуществом в размерах и мощности, роторный двигатель по-прежнему проигрывает в долговечности и экономичности.

Постепенно его производство начало сокращаться, хотя полностью не прекратилось. Сегодня Mazda использует роторный двигатель только для спортивных моделей, где мощность важнее долговечности и экономичности.

Тем временем многочисленные изобретатели продолжали работу над конструкцией роторно-лопастного двигателя.

Четыре такта за оборот

Конструкция роторно-лопастного двигателя на первый взгляд достаточно проста. Внутри кругового цилиндра соосно расположен ротор, состоящий из двух частей, на каждой из которых установлены две лопасти. При вращении лопасти движутся с переменной скоростью друг относительно друга, создавая внутри цилиндра замкнутые объемы переменной величины.

Четыре изолированных объема соответствуют тактам работы четырехтактного двигателя. При вращении ротора первый объем увеличивается, обеспечивая всасывание рабочей смеси через впускное отверстие, – такт впуска.

Во втором объеме происходит сжатие рабочей смеси за счет сближения лопастей. Когда объем достигает минимума (в верхней точке), подается искра, воспламеняющая рабочую смесь. Давление газов на лопасть заставляет её перемещаться, увеличивая объем, – рабочий ход. Последний объем при повороте ротора уменьшается, выталкивая отработавшие газы через выпускное отверстие, – такт выпуска.

Таким образом, все четыре такта выполняются за один оборот ротора, что позволяет получить существенно более высокую мощность по сравнению с поршневым двигателем.

Преимущества роторно-лопастного двигателя по сравнению с поршневым очевидны:

— простота конструкции. Не нужны кривошипно-шатунный механизм и механизм газораспределения;

— небольшие размеры при одинаковых мощностных показателях, существенно меньшее количество деталей;

— эффективный КПД по расчетам выше на 10 – 12%;

— хорошая уравновешенность, обеспечивающая минимальные вибрации при работе;

— существенно меньший расход смазочных материалов. Обладает РЛДВС и определенными преимуществами перед роторно-поршневым двигателем:

— оптимальная форма камеры сгорания, которую можно получить, варьируя форму лопастей;

— уплотнение лопастей проще и надежнее уплотнения ротора, что положительно скажется на долговечности конструкции.

Проблема – в деньгах

Ещё в 1971 году Г. Гуськов в книге «Необычные двигатели» (изд. «Знание») писал: «Роторно-лопастные двигатели, пожалуй, самые перспективные из всех, разобранных в данной книге. И хотя в серийном промышленном производстве нет ни одного образца из этого довольно многочисленного семейства, а есть лишь буквально считанные экспериментальные модели, ещё очень далёкие от совершенства, можно ожидать, что этим двигателям внутреннего сгорания суждено большое и блестящее будущее».

С тех пор положение сильно не изменилось. Главная проблема заключается в создании эффективного и надежного механизма синхронизации работы лопастей.

Запатентовано несколько различных вариантов конструкции РЛДВС, но реальных воплощений «в металле» немного. Известна только конструкция двигателя Вигриянова, опытный образец которого проработал 30 часов.

Пожалуй, дальше всего продвинулись в Псковском государственном политехническом институте. Но их разработка немного «не в тему» — ученые ППИ работают над созданием роторно-лопастного двигателя внешнего сгорания, предназначенного для «стационарной» работы, а не для применения на автомобиле.

Разработкой конструкции роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания занимается несколько групп энтузиастов-изобретателей в разных городах России и Украины. Новых идей и теоретических обоснований конструкции наработано немало. Дальнейшее развитие идей упирается в необходимость изготовления и испытания опытных образцов.

С одной стороны, не все проблемы, уже известные изобретателям, могут быть решены только теоретически. Работоспособность и долговечность механизма синхронизации и уплотнения лопаток должны определиться при испытаниях образцов. Серьезных испытаний требует вопрос охлаждения ротора и лопастей.

С другой стороны, в процессе испытаний могут выявиться нюансы, появление которых предсказать теоретически невозможно Наконец, теоретически предсказанные преимущества РЛДВС по топливной экономичности и токсичности отработавших газов требуют экспериментального подтверждения.

Постройка работоспособных экспериментальных образцов РЛДВС и их полномасштабные испытания требуют серьезных финансовых вложений. До сегодняшнего дня никто из крупных автомобильных компаний не проявлял интереса к оригинальному двигателю, как это произошло с двигателем Ванкеля.

Похоже, что сегодня перелом наступил. Группа компаний ОНЭКСИМ представила в Москве свой «Ё-мобиль» и макетный образец роторно-лопастного двигателя. Само по себе представление образца двигателя «в металле» говорит, что разработка конструкции существенно продвинулась.

Утверждение разработчиков о реальном использовании нового двигателя в производстве автомобиля подтверждено серьезностью финансовых вложений в разработку конструкции.

Возможно, что мы с вами присутствуем ри рождении двигателя будущего. И может быть, через несколько лет начнет сбываться предсказание Г. Гуськова, сделанное им сорок лет назад и обещавшее роторно-лопастному двигателю «большое и блестящее будущее».

• ЛАЙК0
• СМЕХ0
• УДИВЛЕНИЕ0
• ГНЕВ0
• ПЕЧАЛЬ0

Увидели опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter

КОММЕНТАРИИ1

Читать все комментарии

Что я смогу, если авторизуюсь?

Новости СМИ2

Новости СМИ2

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 к электрифицированным автомобилям в портфолио OEM-производителей продолжается, но, по словам высших руководителей силовых агрегатов, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) будут продолжать использоваться в миллионах новых автомобилей в течение еще неопределенного периода времени. «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.

Находясь на моей должности в Окриджской национальной лаборатории, 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.

Двигатель внутреннего сгорания претерпел значительные изменения за последнее столетие. 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 исследований 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 течение последнего десятилетия 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 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 эффективного отбора работы поршнем. 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 представляет собой проблему 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 предсказание и контроль были бы немыслимы с жизнеспособными производственными 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 приводит к беспрецедентным возможностям, эта работа также приводит 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 важным компонентом разработки подключенных и автономных транспортных средств, использующих информацию о взаимодействии транспортных средств и транспортных средств с инфраструктурой для дальнейшей оптимизации топливной экономичности двигателя и транспортного средства.

Более быстрое и более точное моделирование будет иметь важное значение для проектирования 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 обсуждения до сих пор была сосредоточена на открытии 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 в себя 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 транспортных средств и двигателей, энергетические компании, производителей биотоплива, дистрибьюторов топлива и розничных продавцов, а также выявляет и решает потенциальные проблемы развертывания 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.