Содержание
ДВС или электричество. Какие двигатели будут работать в машинах будущего? | Об автомобилях | Авто
Владимир Гаврилов
Примерное время чтения: 4 минуты
3358
Shutterstock.com
Многие страны Европы и мира декларируют постепенный отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Так, премьер-министр Дании Ларс Лекке Расмуссен в октябре 2018 года заявил, что к 2030 году в стране планируется ввести ограничения на продажу новых автомобилей с бензиновыми или дизельными двигателями. А уже к 2050 году Дания собирается полностью вывести транспорт с ДВС из эксплуатации. Франция, Швеция, Норвегия придерживаются тех же позиций и рассматривают вопрос о поэтапном отказе от привычных сейчас моторов к 2040 году. В Великобритании вообще запланирован отказ от ДВС к 2032 году. На фоне этих громких заявлений прагматики ставят вопрос: а на чем будет ездить человечество? Несмотря на многие преимущества электромотора, пока нет ни одной компании, которая бы получала прибыль от производства электрокаров.
Слишком короткие пробеги на одной зарядке, чувствительность к низким температурам и высокая зависимость от сложной инфраструктуры ставят под вопрос их массовую эксплуатацию. Гибридные установки с функцией подзарядки, конечно, могут эксплуатироваться более широко и заменить машины с ДВС, но у владельцев таких транспортных средств рано или поздно встает вопрос: а зачем переплачивать за дополнительный электромотор, если он используется лишь в 5% от времени поездки? На этом фоне очень обнадеживающе звучит признание технического директора Volkswagen AG Маттиаса Рабе: что хоронить ДВС пока рано. Потенциал их усовершенствования еще не исчерпан.
Недостаточное сгорание топлива
Главной причиной, по которой крупные автоконцерны переходят к гибридным установкам, являются экологические требования по выбросам диоксида углерода (CO2). Еще в 2018 году должен был вступить в силу стандарт, по которому все выпускаемые автомобили не должны в среднем превышать значения выбросов в 95 гр/км.
Пока технологический уровень не позволил достигнуть приемлемых результатов, и новый стандарт отложен до 2021 года с перспективой продления моратория до 2025 года. А к 2030 году средние показатели выбросов СО2 должны снизиться до 66 гр. Достигнуть заявленного значения можно только при периодическом выключении мотора и использовании электродвигателя.
Однако дополнительный мотор — это всегда увеличение веса и снижение динамических характеристик. Кроме того, согласно анализу эксплуатации гибридных машин, их владельцы редко ездят на электричестве. Почти всегда бензиновый мотор находится в работе, а электрический двигатель необходим лишь для сертификации, чтобы на стендах помогать машинам показывать заявленные в экологических стандартах показатели.
По словам Маттиаса Рабе, сейчас есть возможность обеспечить требования по выбросам CO2 и без довеска в виде дополнительного электродвигателя. Правда, для этого потребуется существенно переработать конструкцию двигателя внутреннего сгорания и разработать новые сорта синтетического топлива.
Что это за технологии?
Авиационные технологии
Вредные выбросы появляются в выхлопе в результате неполного сгорания топлива. Сейчас в современных моторах смесь сгорает только на 75%, а ее остатки выбрасываются в систему выпуска и догорают в катализаторе, в результате чего пары газа проходят через сложные преобразования. Чтобы сократить количество вредных веществ, необходимо обеспечить качественное сгорание смеси с увеличением КПД мотора.
Такая технология у немцев уже есть. Называется она Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC), то есть «встречные поршни, встречные цилиндры». Взята она из недавнего прошлого авиации. К примеру, в немецких «Юнкерсах» применялись двигатели со встречными поршнями, которые обеспечивали лучшее заполнение камер сгорания и газоотвод, чем у обычных четырехтактных моторов.
В итоге сгорание топлива улучшается. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, а в моторе с технологией OPOC — турбонаддув. Для лучшей работы на низких оборотах разогнать турбину помогает внешний электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.
При этом мотор OPOC состоит из модулей, из которых можно собирать многоцилиндровые агрегаты, комбинируя блоки и соединяя их электромагнитными муфтами. Для экономии топлива один или несколько модулей можно отключать.
Синтетическое топливо
Помогать мотору будет и новое синтетическое топливо. Еще в 2015 году Volkswagen Group запустила тестовое производство синтетического бензина e-benzin с октановым числом 100, причем в нем нет ни серы, ни бензола, что делает его сгорание менее токсичным. Это топливо может обеспечить более экологичный выхлоп.
Разрабатывается и новая система впрыска. Для образования топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси могут вводиться горячие отработанные газы. Если при прямом впрыске топливо распыляется в виде аэрозоля, то теперь оно превращается в туман мельчайших капелек. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, происходит подрыв. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля.
В общем, такая конструкция силового агрегата еще позволит жить двигателям внутреннего сгорания. Тем более что предложенная схема уже доказала свою эффективность во время военного использования.
двигателиавтомобили
Следующий материал
Новости СМИ2
Двигатель будущего — 17.07.2019 — Kursiv Media Казахстан
В рамках усилий стартапов, автопроизводителей и инженеров по переосмыслению почти столетней технологии компания Aquarius Engines разрабатывает суперэффективный бензиновый двигатель весом меньше 10 кг.
РОШ-ХА-АИН, Израиль. Еще в 2014 году Шауль Яакоби занимался тем, что целыми днями проводил оценку поврежденных автомобилей для страховых компаний. Но по ночам он работал в мастерской в пригороде Тель-Авива, разрезая и собирая куски алюминия. Изобретатель-самоучка с неполным средним образованием, он вырос в кибуце, где выращивали цитрусы, и последние 25 лет своей жизни работал страховым оценщиком.
Однако он также является обладателем нескольких патентов на различные изобретения, начиная от систем очистки воды до защищенных от кражи автомобильных ключей. Теперь он стремится создать легкий, дешевый и эффективный автомобильный двигатель, который потреблял бы меньше топлива и был бы более экологичным в сравнении с другими современными двигателями.
«Когда есть ощущение, что идея по-настоящему крутая, нужно просто это сделать. Поэтому я купил алюминиевый блок и разрезал его вручную, чтобы построить собственный двигатель», – говорит Яакоби.
После нескольких месяцев работы он передал продукт своим деловым партнерам, Галу Фридману, ветерану технологического маркетинга, и Ариэлю Горфунгу, промышленному инженеру. В 2014 году они основали компанию Aquarius Engines с целью вывести высокоэффективный бензиновый двигатель Яакоби на автомобильный рынок, где вопросам экологии уделяется все больше внимания. Компания разработала уже пятое поколение своего двигателя, который был успешно испытан в лаборатории.
На автомобилях, впрочем, испытания не проводились.
Получив название в честь идеального будущего, о котором говорится в популярной песне «Эра Водолея», компания Aquarius привлекла более $25 млн. Одними из инвесторов стали руководители Mobileye, израильского стартапа, специализирующегося на технологиях для беспилотных автомобилей. В 2017 году эту компанию, где работает 42 человека в Израиле, Германии и Польше, выкупил Intel. Сегодня Aquarius ожидает, что ее продукт появится на рынке в течение ближайших двух лет и найдет применение как в автомобилях, так и в генераторах электроэнергии и дронах.
Aquarius не единственная компания, которая стремится модернизировать двигатель внутреннего сгорания. Автопроизводители находятся под мощным давлением со стороны правительств и потребителей, требующих, чтобы машины выделяли как можно меньше выхлопных газов. В то же время у электромобилей с батарейным питанием есть серьезные ограничения – это высокая стоимость производства, небольшая дальность пробега и необходимость создания инфраструктуры, в том числе для производства электроэнергии для их зарядки.
По данным отчета McKinsey & Co за март, продажи электромобилей растут примерно на 60% в год, но в целом их доля менее 5% всех продаж новых автомобилей в большинстве стран мира, и для автопроизводителей они являются убыточными.
«Когда появились электромобили, все надеялись, что это и есть решение всех проблем, но все оказалось не так просто», – говорит Джон Б. Хейвуд, почетный профессор машиностроения Массачусетского технологического института, изучающий вопросы производства экологически чистой энергии и проблемы транспорта.
После многих лет, когда двигатель внутреннего сгорания считался морально устаревшим, ряд стартапов, автопроизводителей и ученых-исследователей начали работать над усовершенствованием этой вековой технологии. Согласно отчету JPMorgan Chase & Co., к 2030 году двигатели внутреннего сгорания составят 40% мирового автомобильного рынка, в то время как 23% проданных автомобилей будут иметь гибридные установки, работающие на электричестве и другом топливе, например, на бензине.
«Сегодня очевидно, что у двигателя внутреннего сгорания большое будущее, поскольку он обладает огромным потенциалом повышения эффективности и сокращения выбросов», – отмечает Леонид Тартаковский, руководитель лаборатории двигателей внутреннего сгорания Израильского технологического института «Технион».
Mazda Motor заявила, что уже осенью начнет отгрузки первых партий автомобилей с системой зажигания Skyactiv-X, которая, по данным компании, в некоторых ситуациях способна повысить эффективность двигателя на 20–30%. Кроме того, там разрабатываются и другие модели. О том, что в 2018 году начался выпуск автомобилей с двигателями с переменной степенью сжатия объявила и Nissan Motor. По сообщениям компании, расход топлива на таких машинах ниже примерно на 30%. Кроме того, все больше автопроизводителей применяют турбонагнетатели, которые повторно используют полученное в ходе работы двигателя тепло, а также двигатели, отключающиеся на холостом ходу.
Научно-исследовательское подразделение Toyota Motor разрабатывает поршневой двигатель. (Представитель компании отказался сообщить детали). Другая компания, Achates Power из Сан-Диего, совместно с производителем двигателей Cummins работает над облегченным оппозитно-поршневым двигателем для американской военной техники. По сообщению Achates, она также сотрудничает с еще одной компанией с целью интеграции оппозитно-поршневого двигателя, разработанного в рамках гранта Министерства энергетики США в размере $9 млн, в гражданский пикап. Еще одна американская компания Pinnacle Engines из Сан-Карлоса, штат Калифорния, согласно указанной на ее сайте информации, разрабатывает двигатели для скутеров, мотоциклов, автомобилей и промышленного использования и ориентирована на азиатский рынок.
Последняя версия двигателя Aquarius весит всего 22 фунта (меньше 10 кг), вес обычного двигателя – 250 фунтов (около 113 кг). Для сравнения, в новом двигателе всего одна движущаяся часть – это двигающийся в горизонтальной плоскости поршень (выдающий 43 лошадиные силы) вместо 20 аналогичных деталей под капотом среднестатистического автомобиля.
Как утверждает Яакоби, который в Aquarius является техническим директором, такой двигатель потребляет на 20% меньше топлива, чем стандартный автомобильный двигатель внутреннего сгорания. Дальнейшие изменения в системе впрыска топлива могут увеличить эту разницу до 30%, отмечает он. Поскольку между поршнем и частями двигателя нет трения, то он не требует смазки в виде моторного масла, что снижает затраты на техническое обслуживание.
Последняя версия двигателя Aquarius имеет только одну движущуюся часть. Фото: David Katz
Сам двигатель представляет собой линейную силовую установку со свободным поршнем, а это означает, что он вырабатывает электроэнергию при сжигании топлива, а не производит ее путем вращения привода генератора, как это происходит в обычном автомобильном двигателе. По словам представителей компании, полученное электричество можно использовать в качестве основного источника энергии для питания двигателя в традиционном автомобиле либо в качестве резервного зарядного устройства для электромобиля, что может увеличить пробег на одной зарядке.
«Будет ли это двигатель для самого автомобиля или зарядное устройство, для него везде найдется место», – говорит Фридман, директор по маркетингу Aquarius.
Свободно-поршневые двигатели появились в начале ХХ века и использовались в качестве электрогенераторов на морских судах. Однако к 1950-м годам в морском секторе их практически полностью вытеснили дизельные двигатели, рассказывает Тони Роскилли из Ньюкаслского университета, специализирующийся на свободно-поршневых двигателях. «Теперь интерес к ним возник вновь», – отметил он.
Основная проблема линейно-поршневых двигателей – невозможность обеспечить полный контроль за процессами впрыска топлива и выброса выхлопных газов, что часто приводит к повышенному уровню несгоревших углеводородов в выхлопе. А именно этот показатель стремятся снизить регуляторы, говорит Грегори В. Дэвис, директор лаборатории исследований современных двигателей в Университете Кеттеринга во Флинте, штат Мичиган.
«Если они смогут при помощи компьютерных технологий преодолеть эту проблему и научатся контролировать поток газа и воздуха, то, возможно, мы увидим, как автопроизводители переходят на двигатели такого типа. Потенциал для повышения эффективности здесь действительно высокий», – комментирует Дэвис.
По его словам, если использовать дополнительные цилиндры со свободными поршнями, то это значительно увеличит мощность такого двигателя.
Тем не менее улучшенный двигатель внутреннего сгорания не является панацеей.
«Двигатель внутреннего сгорания, даже с существенными улучшениями, не может достичь того уровня, которого хотят регуляторы, – считает Рассел Хенсли, глава Центра транспорта будущего компании McKinsey. – Именно поэтому мы видим инвестиционную привлекательность электромобилей».
По меньшей мере девять стран объявили о том, что в будущем запретят продажу дизельных и бензиновых двигателей, многие другие страны, в том числе США, пытаются стимулировать владельцев электромобилей, предлагая им бесплатные парковки и налоговые льготы.
Значительное число руководителей компаний-автопроизводителей считают, что бензиновые двигатели достигли пика своей эффективности и, чтобы соответствовать более жестким экологическим правилам, больше ресурсов выделяют на электромобили.
По словам Роскилли, еще одно серьезное препятствие на пути изменения конструкции автомобильного двигателя заключается в том, что автопроизводителям придется переделывать сборочные линии и сами автомобили, чтобы новые двигатели могли быть использованы в качестве основного источника энергии. Иными словами, двумя главными причинами того, почему за долгие десятилетия автомобили изменились относительно несильно, является сложность вопроса и необходимость прежде доказать, что игра стоит свеч.
«Когда у вас есть что-то, что меняет правила игры, воплотить это в жизнь всегда непросто. Потребуются большие инвестиции, чтобы довести двигатель до стадии производства и установки в автомобилях», – говорит Роскилли.
Однако, по словам экспертов, усилившееся давление с целью сокращения выбросов и, как следствие, рост бюджетов на исследования и разработки начали менять отношение отрасли к этой теме.
В Aquarius прекрасно осознают все трудности и рассматривают другие возможные области применения своего продукта, говорит Фридман. Начиная с 2020 года, Aquarius планирует устанавливать свои двигатели в электрогенераторах в отдаленных местах, включая базовые станции сотовой связи в Канаде, Европе и Азиатско-Тихоокеанском регионе.
По словам Хейвуда, чтобы сократить выбросы углекислого газа в выхлопе автомобилей, необходимо много инноваций, в том числе более эффективные двигатели внутреннего сгорания, транспортные средства с батарейным питанием и более чистое топливо.
«Изменить суть легкового автомобиля – весьма амбициозная задача. Но когда кто-то пытается изменить то, что было очень успешным, нужно помнить, что у всех альтернатив есть своя ахиллесова пята», – говорит он.
Гал Фридман, председатель и директор по маркетингу; Майя Гоник, руководитель отдела развития бизнеса; Ариэль Горфунг, исполнительный директор компании – в штаб-квартире Aquarius в пригороде Тель-Авива.
Фото: David Katz
12 силовых технологий, которые повысят эффективность автомобилей будущего
Наши автомобильные эксперты выбирают каждый продукт, который мы представляем. Мы можем зарабатывать деньги на ссылках на этой странице.
Автор
Сэм Абуэльсамид
Создано Автомобиль и водитель для Toyota
На протяжении большей части 130 лет существования поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего на углеводородном топливе, он удерживал эффективную монополию на автомобильном рынке. движение. Пар и электроэнергия не были настоящими конкурентами очень долго после начала 20-го века. На самом деле ДВС был настолько доминирующим, что, если сложить совокупные продажи всех альтернатив, они по-прежнему составляют лишь крошечную долю мировых продаж ДВС за один год. ДВС сохранил свои лидирующие позиции благодаря высокой удельной мощности, практичности и низкой стоимости; и по этим причинам он не исчезнет в ближайшее время.
Однако практические реалии мира, в котором мы живем, приведут к большим изменениям в ближайшие десятилетия, чем мы видели с момента перехода от лошади к автомобилю.
1 из 11
1. 48-вольтовые электрические системы: электрические приводы вспомогательных устройств
Практические реалии глобальных инвестиций в производственную и заправочную инфраструктуру означают, что двигатель внутреннего сгорания (ДВС), вероятно, будет доминирующей силовой установкой еще для нескольких десятилетия. Одной из ключевых технологий, которая поможет ДВС стать более эффективными, является 48-вольтовая электрическая система. Большинство современных двигателей приводят в действие генераторы переменного тока, насосы охлаждающей жидкости, масляные насосы и компрессоры кондиционера механически через ремень или напрямую, и они, как правило, работают непрерывно. Обычные автомобильные 12-вольтовые электрические системы имеют максимальную электрическую мощность от 2 до 3 кВт, и с сегодняшним широким использованием электронных систем управления двигателем, шасси и кузовом, а также удобствами для животных и информационно-развлекательными функциями почти все это используется.
По мере добавления новых электрических функций, таких как полуавтономные или полностью автономные системы, потребуется больше электроэнергии. Переход на мощность 10 кВт, обеспечиваемую 48-вольтовыми генераторами, позволит этим новым функциям и современным механическим приводам аксессуаров перейти на электричество. Это уменьшит паразитные нагрузки на двигатели и потенциально повысит экономию топлива примерно на 10 процентов. Безумно сложные Bentley Bentayga за 231 825 долларов и Audi SQ7 TDI с электрическим нагнетателем сегодня имеют 48-вольтовые электрические подсистемы, но ожидается, что в ближайшие годы они станут массовыми.
Continental
2 из 11
2. 48-вольтовые электрические системы: «мягкие гибриды»
Ранние попытки создания так называемых мягких гибридных систем, особенно от General Motors, в значительной степени были встречены зевотой со стороны покупателей автомобилей . Комбинируя аккумуляторы с более низким напряжением и более слабые двигатели, чем те, что Toyota устанавливала в Prius, этим системам удалось достичь гораздо меньшего прироста эффективности, но при этом они стоили почти столько же.
Теперь инженеры ожидают, что появление 48-вольтовых электрических систем позволит создавать новые «мягкие» гибриды, обеспечивающие 70-процентное улучшение по сравнению с гибридом в стиле Toyota всего за 30 процентов стоимости. Поскольку те более ранние мягкие гибриды работали от 100 до 170 вольт, им по-прежнему требовались все дополнительные функции безопасности любой системы, которая превышает 60 вольт. С 48-вольтовой электрической архитектурой новые мягкие гибриды могут использовать более тонкую проводку и более дешевые разъемы, при этом обеспечивая некоторое рекуперативное торможение, повышение мощности и расширенные возможности автоматического пуска и остановки.
3 из 11
3. Расширенная деактивация цилиндров
Многие автопроизводители осознают опасность выхода на рынок первыми, когда технология еще не готова.
Для модели 1981 года компания Cadillac представила новый инновационный вариант двигателя V-8, который мог автоматически отключать два или четыре цилиндра.
В сочетании с дроссельным впрыском топлива и чрезвычайно грубой электроникой V-8-6-4 был далек от успеха. Сегодня отключение цилиндров стало обычным делом и, как правило, незаметно для водителя. В ближайшие годы дополнительные датчики и сложные алгоритмы управления позволят двигателям работать большую часть времени при меньшем числе цилиндров, чем их полный комплект. К концу этого десятилетия GM и Delphi, лицензируя технологию у стартапа «Тульские технологии», рассчитывают получить двигатели V-8 с усовершенствованной переменной деактивацией цилиндров. Это означает, что как количество отключенных цилиндров (остается всего два активных в условиях малой нагрузки), так и то, какие конкретные цилиндры не работают, будут постоянно меняться в зависимости от условий эксплуатации. По данным GM, это может снизить расход топлива на целых 15 процентов.
4 из 11
4. Сменные гибриды на топливных элементах
Кажется, что за последние 20 лет технология водородных топливных элементов появится через десять лет.
С недавним запуском Toyota Mirai и Honda Clarity, которые появятся в конце этого года, а также Hyundai Tucson Fuel Cell для сдачи в аренду жителям 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 бензиновый двигатель Volt заменен на топливный элемент.) Хотя Ford построил только один из своих демонстрационных автомобилей Edge, Mercedes-Benz недавно объявил, что будет выпускать версию двигателя на топливных элементах с подключаемым модулем. 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 диктует, что турбины с выхлопным приводом почти всегда будут иметь некоторое отставание, и сантехника 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
Автомобиль будущего | МакКинзи
Статья (5 страниц)
Что бы вы вообразили как «автомобиль будущего», если бы представляли его 125 лет назад? В конце 19 века братья Стэнли — близнецы Фрэнсис и Фрилан — придумали автомобиль, который был бы эстетически приятен. Они стремились к высоким, но безопасным скоростям.
Они стремились к транспортному средству, которое было бы интуитивно понятным и надежным. И, внедренный 19промышленности 19-го века они вообразили автомобиль, который будет работать на паре. Они создали свой автомобиль в быстро индустриализирующихся Соединенных Штатах в 1897 году, а пять лет спустя назвали его Stanley Steamer. В течение двух замечательных лет, до Ford Model T, это был самый продаваемый автомобиль в стране.
Стартап набирает обороты
Женщины на рабочем месте 2022
Как поколение Z видит свое место в мире труда? С трепетом
Упущенный из виду вклад и скрытые проблемы американцев азиатского происхождения
Решающий момент: как руководители европейских компаний могут повысить устойчивость, чтобы расти в сегодняшнем экономическом водовороте
Цифровые двойники: основа корпоративной метавселенной
Когда Стэнли поставили свою рабочую модель на дорогу, в торговле преобладал пар.
Пар был господствующим в течение столетия; это привело к промышленной революции. Пар приводил в движение флоты мира и породил запутанную сеть угольных станций, угольных островов, буксиров, круизных лайнеров — не в последнюю очередь и не в наибольшей удаче RMS 9.0011 Титаник — линкоры и дредноуты. Наиболее важным для наземной мобильности было то, что железные дороги приводились в движение паром. До появления паровой машины расстояние могло быть судьбой. Но в 1800-х годах, веке железных дорог, поезда с паровой тягой постепенно, а затем, казалось бы, неумолимо объединили разрозненные районы Африки, Азии и Европы. (Россия вполне целенаправленно выбрала другую ширину колеи, чем ее соседи.)
В США железные дороги произвели неизгладимое впечатление. Люди и товары перемещались по Соединенным Штатам по крупным магистральным линиям и артериям, связанным с Золотым шипом на мысе Промонтори-Саммит, штат Юта, в 1869 году.. Средний Запад стал центром торговли. Чикаго, впервые зарегистрированный в конце 1670-х годов как торговый пост среди коренных алгонкинов и французских торговцев, уже в 1840 году насчитывал менее 5000 жителей.
В 1848 году город открыл свою первую железнодорожную станцию, а затем рос в геометрической прогрессии. В 1860 году население Чикаго превысило 100 000 человек; к 1890 году он превысил один миллион.
Генри Форд из процветающего Дирборна, штат Мичиган, на Среднем Западе, как известно, утверждал, что «если бы я спросил людей, чего они хотят, они сказали бы, что это более быстрые лошади», а лошади, измеряемые в «лошадиной силе», остаются частью автомобиля. ДНК. Но только часть. Автомобиль в не меньшей степени является продуктом воображения и выражения мобильности посредством паровых поездов: автомобилей, грузовиков, трансмиссий, тормозов, сигналов, цистерн. Это жаргон инженеров-железнодорожников.
Успех паровых железных дорог не сделал паровые автомобили гарантией в 1897 году. Как и сегодня, было доступно несколько силовых агрегатов, включая двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатели. Записи показывают, что в 1900 году американские компании произвели в общей сложности около 4200 автомобилей: 40 % были паровыми, 38 % — электрическими и 22 % — с ДВС.
Когда посетителей первого Национального автомобильного салона того года опросили о том, какой тип автомобиля они предпочитают, электрические фактически вытеснили пар; Автомобили с ДВС заняли третье место. Даже Стэнли отдали должное электромобилям: «Это было бы идеально, — признала компания об электромобиле, — если бы не четыре основных ограничивающих фактора: запас хода, скорость, выносливость и количество часов для зарядки».
В 1900 г. американские компании произвели около 4200 автомобилей: 40% паровых, 38% электрических и 22% двигателей внутреннего сгорания.
Взгляд на продукт
Фрэнсис и Фрилан построили Stanley Steamer с учетом деталей продукта. Они не были любителями. Стэнли уже заработали состояние на патентовании аэрографа и заработали еще больше денег на разработке технологии сухой фотографии, которую они продали Джорджу Истману, основавшему компанию Eastman Kodak Company. Стэнли разработали свои 1897 автомобиль с железной точностью: минимум деталей, чтобы не ломался; минимум шума, чтобы водитель и пассажир могли спокойно вести внятную беседу; и прочный паровой котел.
В 1899 году Фрилан и его жена Флора доехали на своей паровой машине до пика горы Вашингтон, самой высокой точки на северо-востоке Соединенных Штатов, за одну треть того времени, которое потребовалось бы для того, чтобы совершить то же самое с помощью лошади и повозки. путешествие. В 1898 и 1899 годах автомобильная компания Стэнли продавала больше, чем любой другой автопроизводитель США. В 1906 гоночная версия Stanley Steamer побила мировой рекорд по самой высокой зарегистрированной скорости для автомобиля — 127,7 миль в час — отметку, которую ни один автомобиль не смог бы превзойти за более чем за пять лет .
С точки зрения продукта у пароварки Stanley есть и другие преимущества. Для начала (в буквальном смысле) автомобили с ДВС не включались бы, если бы их сначала не завели с помощью громоздкого внешнего поворотного стержня, который нужно было вставить в переднюю часть автомобиля, процесс, который требовал не только физической силы, но и немного удачи. рукоятка не дернулась назад и не сломала большой палец, кисть или руку токаря.
Транспортным средствам с ДВС также требовалось, чтобы технические специалисты знали правильное время зажигания автомобиля в градусах от верхней мертвой точки. Сегодня об этом знают только те, кто разбирается в общих автомобильных знаниях. Но на рубеже веков каждый водитель ДВС должен был знать угол опережения зажигания. Но для Stanley Steamer это не так: паровым машинам не нужна была рукоятка. Тем не менее, их нужно сначала разогреть в течение примерно 20 минут, а иногда и больше, особенно в холодные дни, чтобы набрать пар. Электромобилям также не нужна была рукоятка; они начались сразу.
На самом деле электромобили пережили своего рода мини-бум на рубеже 20-го века. Электрические такси работали в нескольких городах, включая Лондон и Нью-Йорк. Когда президент Уильям МакКинли был смертельно ранен в 1901 января его доставили в больницу Буффало, штат Нью-Йорк, на машине скорой помощи с электроприводом. (Это была его вторая поездка на автомобиле, а первая — на Stanley Steamer.
) И все же, хотя электромобили и использовались для коротких прогулок — или трагических гонок, — они сталкивались с серьезными проблемами из-за ограниченного диапазона: их батареи нужно было перезаряжать.
Паровые автомобили, которые могли работать на различных видах топлива — от угля и древесного угля до керосина и дров — имели неравномерный запас хода, по крайней мере, с точки зрения водителя. Один паровой автомобиль проезжал 1500 миль на одной загрузке топлива. На практике, однако, запас хода парового автомобиля был ограничен необходимостью добавлять больше воды. Водителям приходилось останавливаться, чтобы долить воды в баки, чтобы чайники в их автомобилях не закипели. В конце концов, автомобиль ограничен своей экосистемой.
Мышление в системах
Но Стэнли не попали в системный балл, или, вернее, никогда не стремились к нему. Они намеревались построить отличный автомобиль , возможно, лучший автомобиль. Они зациклились на своем автомобиле. К 1917 году линейка Stanley Steamer будет представлена несколькими моделями и, помимо прочего, будет иметь клаксоновый кнопочный гудок.
Его мягкие сиденья, хотя и не богатые и не коринфские, были сделаны из мягкой натуральной кожи. Stanley Steamer выпустил около 500 автомобилей в 1917; его четырехместный туристический автомобиль стоил 2550 долларов.
В том же году Ford произвел более 600 000 автомобилей Model T; его пятиместный туристический автомобиль стоил 360 долларов. А семь крупнейших конкурентов Ford в то время — все производители ДВС — объединились, чтобы произвести дополнительно 600 000 автомобилей. Примерно к 1903 году спрос на автомобили с двигателями внутреннего сгорания начал затмевать долю рынка как паровых, так и электрических транспортных средств, а затем оставил далеко позади как электрические, так и паровые трансмиссии, поскольку спрос резко вырос во время Первой мировой войны (19).14–18). После войны автомобили с ДВС доминировали на автомобильном рынке до конца 20 века.
В отличие от Стэнли, Генри Форд мыслил системно, неустанно системно; он размышлял о «реальной основе экономической системы… всей нашей конкурентной системы, всего нашего творческого самовыражения» — система должна быть единым целым с автомобилем.
1
1.
Сэмюэл Кроутер и Генри Форд, 9 лет0011 Моя жизнь и работа , Гарден-Сити, Нью-Йорк: Doubleday, Page & Company, 1922.
Форд мыслил системно при разработке сборочной линии, что является системным переходом от метода сдельной работы. Форд быстро изменил кривую затрат, позволив компании выпускать гораздо больше автомобилей, которые соответствовали бы ожиданиям потребителей в отношении скорости, мощности, запаса хода, надежности и, особенно, цены, а зачастую и превосходили их. Форд установил такие цены на свои автомобили, чтобы его рабочие, в частности, могли себе это позволить. Генри Форд построил модель Т «для большого количества людей». Множество людей продолжало покупать, а Ford и другие производители ДВС по всему миру продолжали строить. К 1924 года Ford Motor Company произвела более десяти миллионов автомобилей Model T. В том же году Стэнли Стимер закрыл производство.
автомобиля с ДВС стали катализатором экосистемы автомобилей с ДВС. Если экосистема транспортных средств с ДВС не была создана точно по замыслу, то и не по чистой случайности. Стэнли высмеивали бензин как «взрывоопасное жидкое топливо», но хозяйственные магазины продавали его, а фермеры хранили его при себе. По мере того, как модели T и другие автомобили с ДВС уходили с заводов, возникла сеть станций технического обслуживания, чтобы продолжать заправку бензином. Чем больше люди могли путешествовать, тем больше людей хотели кататься. Автобусы с ДВС начали курсировать по городским улицам и междугородним автомагистралям, конкурируя с электрическими трамваями. Больше автомобилей увеличило спрос на дороги с твердым покрытием, их сеть увеличилась в пять раз по сравнению с 19с 05 по 1920 год: дороги с заправочными станциями, но без инфраструктуры для электрических или паровых транспортных средств; города и поселки, в которых есть автостоянки и гаражи — по две машины в каждом гараже, звучал лозунг, — но не гаражи с водяными насосами или возможностью зарядки.
По мере того, как модели Т и другие автомобили с ДВС покидали заводы, возникла сеть станций технического обслуживания, чтобы продолжать заправку бензином. Чем больше люди могли путешествовать, тем больше людей хотели кататься.
Уроки для автомобилей и будущее
Оглядываясь назад, мы можем лучше ориентироваться в будущем. Паровое путешествие приводилось в действие одной эпохой и было заключено в ней; внутреннее сгорание продвинулось вперед и олицетворяло другое. Тем не менее, есть замечательные параллели между началом перехода 20-го века от пара к ДВС и проблемами 21-го века, связанными с переходом от ДВС к электричеству (или, возможно, или в тандеме, к водороду или другому топливу, не выделяющему углерод).
Во-первых, это вызов формы и функциональности: что именно делает отличный автомобиль означает ? Конечно, это должен быть надежный, хорошо работающий автомобиль для перевозки людей и товаров. Но в основе хорошего автомобиля лежит обеспечение мобильности, которую люди захотят, которой будут наслаждаться и которые могут себе позволить — как индивидуально, так и как общество, особенно когда мы сталкиваемся с социальными издержками дорожно-транспортных происшествий, последствиями выбросов углерода и других выбросов, а также безотлагательной необходимостью перейти в мир с нулевыми потерями.
И все чаще отличный автомобиль становится платформой, на которой используются технологии, повышающие безопасность и эффективность вождения.
Во-вторых, это проблема ресурсов, необходимых для создания и эксплуатации автомобиля. Как признавал Генри Форд, но, по-видимому, Стэнли так и не поняли этого до конца, создание отличного автомобиля требует не только управления великим заводом, но и мышления с точки зрения как физического, так и человеческого капитала. Сегодня, учитывая огромную взаимозависимость в автомобильной промышленности, потенциальную нехватку сырья и проблемы с поставками, целостный подход к производству все чаще становится точкой конкурентного преимущества, особенно для тех, кто переезжает раньше.
Эта проблема связана с другой параллелью: необходимостью учитывать вспомогательную инфраструктуру. Великолепные транспортные средства — транспортные средства, которыми приятно управлять, в которых приятно находиться, потому что они могут вести себя сами, и которые имеют основополагающее значение для производительности из-за мультипликативного эффекта, который они оказывают на эффективное перемещение людей и товаров, — не являются автономными.
В начале 20 века паровые силовые агрегаты потерпели неудачу, а ДВС добился успеха, потому что вся инфраструктура была разработана для автомобилей с ДВС. Несмотря на то, что рыночный спрос на электромобили сегодня соответствует прогнозируемым ожиданиям, лидеры знают, что они должны делать все возможное для увеличения инвестиций в эффективную вспомогательную инфраструктуру, которая подключает автомобили к электросети для удобства заправки, повышает устойчивость сети и обеспечивает новая электроэнергетическая утилита через силовую установку в каждом транспортном средстве.
Прорывы на рубеже 20-го века использовали тот же рецепт, что и сегодня, включая запуск «достаточно хорошего продукта», который не стимулируют копировать другие (поскольку он разрушает их пулы ценности), и расширение того, как люди воспринимают продукт. и как это влияет на их жизнь. Автомобили, в конце концов, не автономны. У автомобилей есть последствия. Отличный автомобиль может создать большие перемены, но последнее слово всегда за будущим.