Экономичные и малоотходные двигатели внутреннего сгорания. Электрификация транспорта и повышение экономичности перевозок

Развитие автомобилестроения началось почти 130 лет тому назад с создания малогабаритного и быстроходного двигателя внутреннего сгорания. Наблюдая за быстрыми изменениями давления в замкнутом пространстве при сгорании пороха, взрыве смеси кислорода или светильно­го газа с воздухом, ученые и инженеры пришли к мысли использовать этот принцип для создания двигателя. В истории техники известен целый ряд самых разнооб­разных патентов на так называемый газовый или взрыв­ной двигатель.

В 1860 году французскому изобретателю Этьенну Ленуару (1822-1900) удалось запустить газовый двигатель, в котором сгорала смесь бензина с воздухом.

Скорость вращения двигателя достигала 100 оборотов в минуту.

Начало победному шествию двигателя внутреннего сго­рания положил немецкий изобретатель Николаус Август Отто(1832-1891). Конструкция двигателя Отто обладала многими преимуществами по сравнению с двигателем Ленуара. Не удовлетворившись первыми успехами, Отто вносил в свои машины все новые усовершенствования, в том числе зажигание электрической свечой. В даль­нейшем Отто обнаружил, что сжатие смеси топлива и воздуха перед сжиганием значительно повышает мощность машины. Сжатие топливно-воздушной смеси перед за­жиганием ее в цилиндре стало основой рабочего процес­са во всех двигателях внутреннего сгорания.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания и преж­де, и теперь обладают огромными преимуществами: их объем и вес не вызывают трудностей в размещении на транспортном средстве, а мощность и уровень шума по­зволяют использовать их в автомобиле. Вместе с тем они отличаются недостаточной экономичностью. Если КПД машины выразить как отношение механической энергии, сообщенной маховику двигателя, к полной тепловой энер­гии израсходованного топлива, то для прежней паровой машины он будет составлять 12 %, а для бензинового дви­гателя 24 %.

Немецкий изобретатель Рудольф Дизель (1858-1913) после ряда термодинамических исследований сконструи­ровал значительно более экономичный двигатель внут­реннего сгорания. Дизельный двигатель по конструкции в основном сходен с прежними двигателями внутреннего сгорания, но имеет более массивные детали приводного механизма и поэтому дороже. Дизельный двигатель с са­мовоспламенением от сжатия всасывает чистый воздух, а не готовую смесь. Затем воздух подвергается очень сильному сжатию до 1/15 или 1/20 первоначального объе­ма. В результате чего его давление возрастает до 3-5 МПа, а температура до 500-800 "С. В момент наибольшего сжа­тия под давлением 8-20 МПа специальное устройство впрыскивает в горячий сжатый воздух мелко распылен­ную жидкость - относительно дешевое дизельное топли­во. В таких условиях, т. е. при указанных величинах дав­ления и температуры, топливо воспламеняется без элект­рической искры. Дизельный двигатель обладает многи­ми достоинствами по сравнению с бензиновым: его КПД достигает 32-35 %, срок службы больше, использует бо­лее дешевое дизельное топливо, которое к тому же безо­паснее в обращении.

Сегодня всесторонне усовершенствованный дизельный двигатель встречается буквально на каждом шагу. Без него трудно себе представить современные трактора, лег­ковые автомобили, тяжелые грузовые машины, большин­ство морских судов, насосов и т. д.

Любой современный бензиновый двигатель имеет несколько систем: питания, зажигания, смазки, охла­ждения и выпуска. Системы работают совместно для преобразования потенциальной энергии горючей смеси воздуха и топлива в механическую.

Система питания готовит и подает в цилиндры топливо-воздушную смесь, необходимую для работы двигателя при различных условиях. По способу перемешивания топлива и воздуха существуют карбюраторные и инжекторные системы питания бензиновых двигателей. Инжекторные системы имеют более высокий КПД по сравнению с карбюраторными, но более привередливы к качеству топлива. В целом надежная работа системы питания зависит от заливки топлива без примесей в бак и правильной регулировки карбюратора.

Система зажигания обеспечивает электрическое напряжение, необходимое для проскакивания искры через искровой промежуток свечи зажигания в точно заданный момент времени. Для бесперебойной работы этой системы необходимо обеспечить хорошее состояние проводов, свечей зажигания и других электрических приборов а также их правильную регулировку. Сильно загрязненные свечи зажигания увеличивают потребление горючего на 6-10 %. В современных автомобилях использую электронную систему зажигания, которая значительно повышает КПД двигателя.

Смазочная система подает масло ко всем трущимся деталям внутри двигателя. Масло из картера с помощью насоса под давлением разбрызгивается на все подвиж­ные элементы двигателя. Смазочное масло обеспечивает уплотнение поршневых колец в цилиндре, отводит часть тепла от поршня, смягчает удары, очищает цилиндры и снижает силы трения. В зависимости от года выпуска, типа двигателя, сезона используют разные виды масел: минеральное, полусинтетическое и синтетическое с раз­ными температурными диапазонами. От правильного вы­бора масла очень сильно зависит расход топлива и мото­ресурс двигателя.

Система охлаждения отводит тепло от двигателя, тем самым защищая его от перегрева, и обеспечивает равно­мерное распределение температуры по всему корпусу. Эта система нуждается в периодическом обслуживании (про­верке уровня охлаждающей жидкости, чистке радиатора, замене старых соединительных патрубков), поскольку ее правильная работа также сильно влияет на КПД двига­теля.

Система выпуска оборудована глушителем. Несмотря на то, что он уменьшает КПД двигателя, его используют для уменьшения шума выбрасываемых газов. Засорение и внутренние повреждения глушителей вызывают поте­ри мощности и ухудшают работу двигателя в целом. В современных автомобилях в систему глушителя уста­навливают катализатор для более полного сгорания отра­ботанного топлива, нейтрализации вредных для здоровья человека газов.

В последнее время все большее внимание уделяется двигателям, работающим на газе. Прежде всего, это свя­зано с низкой себестоимостью топлива и достаточно чис­тыми отработанными выхлопными газами по сравнению с бензином и дизелем. Любой автовладелец может установить в свой автомобиль газовую установку, параллель­но работающую с бензиновым либо дизельным двигате­лем. Газовая установка очень быстро окупает себя.

Для повышения экономичности двигателя внутренне­го сгорания необходимо постоянно его модернизировать, используя более новые научно-технические разработки. В двигателях внутреннего сгорания необходимо вовремя производить замену масла, свечей, фильтров, производить чистку от грязи, использовать высококачественные виды топлива, проверять уровни масла и охлаждающей жидко­сти. Выполняя эти элементарные правила, можно внести очень большой вклад в экономию ТЭР.

Современные самолеты, поезда, грузовой транспорт, легковые автомобили буквально «напичканы» электроникой. И неспроста. Мы все больше и больше позволяем управлять компьютерам процессами, происхо­дящими в работе двигателей, в системах навигации, автоматического регулирования и т. д., т. к. требуется максимальная скорость принятия правильного решения для достижения поставленной цели. В любом современном виде транспорта постоянно происходит анализ данных, поступающих непрерывно с датчиков, с помощью которых электронная система или бортовой компьютер управляют работой всех устройств. Например, в легковом автомобиле в зависимости от нагрузки на двигатель автоматически может регулироваться количество и качестве горючей смеси, подаваемой в камеру сгорания, также авто­матически может быть включена более низкая или высокая передача в автоматической коробке передач и т. д.

Для энергосбережения как в поездах, так и в автомобилях могут быть применены системы возврата электроэнергии обратно в сеть в момент торможения Электродвигатели при торможении переводятся в режим выработки электроэнергии, т. е. работают как электрогенераторы. В результате этого усовершенствования энер­гозатраты уменьшаются на 12 %. Для повышения эконо­мичности перевозок можно использовать вместо желез­ных элементов кузова более легкие материалы, такие как алюминий или пластик, что значительно сократит расход топлива.

В последнее время в большинстве стран мира наблю­дается тенденция к выпуску малогабаритных (двухмест­ных) автомобилей, что значительно снижает их вес (до 300 кг) и количество выбрасываемых при эксплуатации газов в атмосферу.

Идут также разработки, направленные на создание экологически более чистых автомобилей, работающих на водородном топливе и двигателях-гибридах.

Автомобили, работающие на водороде с топливными элементами, не выделяют в атмосферу газы, загрязняю­щие окружающую среду. Единственным побочным про­дуктом работы топливных элементов является вода. Во­дород предполагается получать из природного газа, нефти или воды при помощи химических процессов. Однако на пути массового производства водородных автомобилей се­годня возникает много препятствий, связанных с выделе­нием С02 при производстве топливных элементов и водо­рода, с утечкой водорода в окружающую среду (см. п. 9.1). Поэтому для использования водородного топлива требу­ются более новые и совершенные технологии, которые могут быть достигнуты в будущем.

Немалое внимание сегодня уделяют и двигателям внут­реннего сгорания, работающим совместно с электричес­ким мотором, - двигателям-гибридам. Автомобили, осна­щенные двигателями-гибридами, более экономичные по сравнению с традиционными (примерно в 2 раза), выде­ляют в атмосферу на 40 % меньше С0₂. Внедрение их в массовую эксплуатацию связано с меньшими трудностями по сравнению с водородными автомобилями, единствен­ный недостаток - первоначально высокая цена. Однако, как считают ученые, за весь свой срок службы гибридная машина позволит ее владельцу сэкономить на топливе большую сумму денег.

Дата добавления: 2015-11-26