СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Циклический характер работы ДВС – один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в ДВС реализуются высокие максимальные температуры и давления, которые до настоящего времени недостижимы для других типов тепловых двигателей. Использование рабочего тела при высоких температурах и давлениях обусловливает высокую экономичность ДВС. Среди других тепловых двигателей поршневые двигатели внутреннего сгорания преобразуют химическую энергию топлива с наивысшим КПД, достигшим в отдельных образцах малооборотных судовых дизелей величины 0,55…0,57. Основными факторами, обеспечивающими силовым установкам с поршневыми двигателями внутреннего сгорания преимущество перед другими типами силовых установок, являются: низкая удельная стоимость (цена/кВт энергии установки); высокая объемная (массовая) энергоемкость (кВт/кг , кВт/м.куб); способность удовлетворять непрерывно ужесточающимся законодательным ограничениям по эмиссии вредных веществ, шуму, экономичности, безопасности; адаптация к рециклированию; резервы дальнейшего развития и адаптация к требованиям развития транспортных средств и энергоустановок. Именно эти показатели качества силовых установок с ДВС дают основания рассматривать их и на ближайшую перспективу как основным видом первичных источников энергии на транспорте и в малой энергетике.
Высокие показатели поршневых двигателей достигнуты на фоне острой конкурентной борьбы с другими видами энергоустановок. Так, в 1960-е годы велись интенсивные работы по созданию паровых двигателей. В 1970 годах зарубежные фирмы вкладывали огромные средства на создание автомобильных газотурбинных двигателей и двигателей Стирлинга. Автомобильные газотурбинные двигатели не смогли конкурировать с ДВС по двум основным показателям – стоимости и экономичности. Фирма Форд выполнила подготовку производства и в 1991 г. намеревалась запустить в серию автомобиль с двигателем Стирлинга. Однако фирма не смогла обеспечить сопоставимый показатель энергоустановки с двигателем Стирлинга и с ДВС по стоимости 1 кВт вырабатываемой энергии.
В конце ХХ века и начале XXI века усилия автомобилестроительных фирм сосредоточены в основном на создание гибридных силовых установок и силовых установок на топливных элементах. Оба эти направления представляются перспективными и каждая из этих силовых установок имеет свои экологические ниши. Причем наиболее реально в ближайшем будущем широкое внедрение гибридных силовых установок различных схем. Тем более, что к гибридизации силовых установок подталкивает непрерывное увеличение мощности бортовых потребителей электроэнергии. Что же касается силовых установок на топливных элементах, то несмотря на всю их привлекательность по экономичности и экологическим характеристикам, трудно рассчитывать на значительное снижение стоимостных и массогабаритных показателей. Существует множество проблем, требующих решения на пути внедрения топливных элементов.
Стоимость крупномасштабного производства топливно-элементных систем, основанного на современном уровне технологии (400 дол/кВт), пока в десять раз превышает стоимость, которую необходимо иметь для конкурентоспособности с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Силовая установка с топливными элементами стоит около $25000, что почти в семь раз дороже обычного ДВС (около 3500$). Автомобиль с топливными элементами стоит более 1000000 $ при существенно большей массе.
Кроме того, следует иметь ввиду, что текущие потребности в платине, необходимой для создания топливных элементов, слишком велики и не могут быть обеспечены промышленностью. Стоимость только платины в современной системе с топливными элементами мощностью 50 кВт оценивается величиной 57 долл/кВт. Только эта составляющая стоимости выше величины, которую согласно нормативу, установленному DOE, должна иметь вся силовая установка к 2004 г. (50 долл/кВт).
Долговечность работы таких ключевых компонентов, как мембрано-электродная сборка и каталитический топливный процессор, пока не достигла требуемого уровня в 5000 часов. Кроме того, некоторые их компонентов еще не готовы для длительных испытаний.
Время подготовки системы с топливными элементами к работе, определяемое топливным процессором, лежит в пределах 6-20 минут, что неприемлемо для владельцев автомобилей.
Современные компрессоры не могут обеспечить эффективную подачу воздуха в топливный элемент, а топливные элементы, в свою очередь, не могут принять подачу воздуха компрессором. Это приводит к излишней подаче воздуха в топливный элемент, что , в свою очередь, приводит к дополнительной нагрузке на компрессор, понижению общего КПД системы, увеличению размеров батареи топливных элементов, массы и стоимости.
Отдельно следует выделить проблему топливной инфрастуктуры. Применение лучших топлив для топливных элементов, водорода и метанола, требует значительных капиталовложений для создания инфрастуктуры производства и распределения этих топлив, что рискованно до создания эффективных и конкурентоспособных силовых установок с топливными элементами и завоевания ими рынка, что позволит окупить инвестиции. Кроме того, не следует забывать, что производство водорода любым способом в 2-5 раз дороже производства бензина и дизельного топлива. Углеводородные топлива нефтяного происхождения имеют развитую инфрастуктуру производства и распределения, и казалось бы, водород можно получать на борту транспортного средства, но для этого необходимо иметь бортовые топливные процессоры (генераторы водородосодержащего газа) и специализированные топливозаправочные колонки, обеспечивающие зарядку топливом с низким содержанием серы и ароматических соединений.
Фундаментальной проблемой в топливно-элементной технологии является получение и хранение топлива, т.е. обеспечение подачи водорода в требуемом для работы количестве. Применение трех топлив, рассматриваемые автомобилестроителями как основные– водород, метанол и бензин, порождает целый ряд серьезных проблем. Так, хотя применение водорода предпочтительно с точки зрения эффективности выработки энергии, поскольку обеспечивает наилучшие экологические показатели и КПД, водород занимает значительный объем на борту, отличается повышенными пожарной и взрывоопасностью. Водород можно хранить на бору автомобиля в сжатом виде в баллонах под давлением 100-900 бар, в криогенной емкости в жидком состоянии при температуре –253 С, в металлгидридных аккумуляторах, а также может храниться в на борту в составе другого топлива и по мере надобности выделяться из этого топлива (электролиз воды, получение водородосодержащего газа в термохимическом реакторе-риформинге и др.).
В любом случае хранение или получение водорода на борту из другого носителя составляет массу инженерных проблем, приводящих к необходимости создания на борту устройств, имеющих большие габариты, массу и представляющих опасность в эксплуатации. Получение водорода на борту из метанола, бензина или другого углеводородного топлива приводит к необходимости создания миниатюрной бортовой водородной фабрики, увеличивающей массу автомобиля и усложняющей его системы. Кроме того, получаемый в топливных процессорах водород (водородосодержащий газ) не является химически чистым и для использования в топливном элементе должен быть очищен от примесей, способных вызвать отравление катализатора топливного элемента (окись углерода, соединения серы и др.).
Все сказанное дает основания утверждать, что силовые установки с топливными элементами в ближайшее время не смогут конкурировать с установками на базе поршневых двигателей по стоимости, массогабаритным показателям и они найдут весьма ограниченное применение в отдельных областях.
Дизели примерно на 30% экономичнее карбюраторных двигателей, а энергозатраты на производство дизельного топлива почти на 10% меньше, чем на производство высококачественного бензина. Если же учесть такие качества дизеля, как возможность создания установок с агрегатной мощностью 40 … 100 тысяч кВт, перспективы увеличения удельной мощности путем применения различных схем наддува, а также меньшую по сравнению с карбюраторными двигателями токсичность выпускных газов, то становятся ясными причины все более широкого применения дизелей. При этом важно отметить, что перспективы дальнейшего роста показателей качества дизелей далеко не исчерпаны.
Тем не менее и бензиновые двигатели имеют не менее обнадеживающие перспективы их развития . Экономически целесообразный процентный выход из нефти отдельных видов топлив (керосин, бензин, дизельное топливо, топлива широкого фракционного состава и тяжелые топлива) делает бессмысленной сплошную дизелизацию в энергетике и на транспорте и оставляет актуальной проблему совершенствования бензиновых двигателей.
1. ДИЗЕЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Дизели нового поколения имеют следующие неотъемлемые черты: высокий регулируемый наддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха; эффективные системы впрыскивания топлива с электронным управлением форсунками, обеспечивающие многоразовый впрыск с давлениями 180 МПа и более, с требуемыми характеристиками предварительных, основных и дополнительных фаз впрыска; четырехклапанные головки цилиндра с двумя впускными каналами (тангенциальным и вихревым) с регулируемой заслонкой в вихревом канале; агрегаты наддува с возможностью регулирования турбин и компрессоров; переменные управляемые фазы газораспределения; центрально расположенные форсунки с электронным управлением; высокие параметры цикла (Pz= 180-200) бар; низкий уровень механических потерь; систему рециркуляции охлаждаемых выпускных газов; гибкую интегрированную систему электронного управления топливоподачей, воздухоснабжением, фазами газораспределения и системой нейтрализации выпускных газов, что обеспечивает высокую эксплуатационную топливную экономичность и требуемые характеристике по токсичности выпускных газов и уровню виброакустического излучения.