Двигатели нетрадиционные: Альтернативные силовые установки для транспортных средств

Альтернативные силовые установки для транспортных средств

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) уже почти 200 лет служат человечеству. Однако их широкое использование оборачивается целым рядом экологических и ресурсных проблем. 26% всех выбросов антропогенных парниковых газов вызваны сжиганием ископаемого топлива. При этом более 90% топлива,  используемого для автомобилей, судов, локомотивов и самолетов, получено из нефти. При сгорании нефтепродуктов в атмосферу выделяются крайне вредные окись углерода, двуокись углерода, углеводороды, окислы азота и другие компоненты. Загрязнение воздуха выступает причиной каждой девятой смерти в мире и признано одним из крупнейших вызовов в области здравоохранения и окружающей среды. В ряде развитых стран принимаются активные меры по постепенному переводу транспорта с ДВС и расширению использования альтернативных источников топлива. Так, Германия приняла закон о запрете продажи новых автомобилей с ДВС с 2030 г. Страна планирует к 2050 г. сократить автомобильные выхлопы до нуля.  Аналогичные инициативы обсуждаются в других странах ЕС, США, Индии.
Более активное использование современных альтернативных силовых установок позволит снизить объем вредных выбросов в атмосферу Земли, сократить расходы на содержание транспортных средств и увеличить их КПД. Разработка таких технологий даст возможность странам, испытывающим дефицит традиционного топлива, уменьшить свою энергетическую зависимость. Ниже рассмотрены перспективные технологии новых типов двигателей для автомобилей, работающих на альтернативном топливе: водородные и метанольные топливные элементы для электромобилей, а также двигатели внутреннего сгорания на диметиловом эфире.

Версия для печати: 

Альтернативные силовые установки для транспортных средств

ВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ

Использование водорода в качестве топлива возможно в транпортных средствах как с ДВС, так и с водородными топивными элементами. Однако традиционные поршневые ДВС приспособить к работе на водороде и сложно, и дорого (стоимость эксплуатации и обслуживания такой водородной силовой установки примерно в 100 раз выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания).

Альтернативные вариантом являются топливные элементы (ТЭ), преобразующие химическую энергию топлива в тепло и постоянный электрический ток, питающий электродвигатель или системы бортового питания транспортного средства. ТЭ представляет собой непрерывно перезаряжаемую батарею из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подается водород, через другой — чистый кислород или кислород из воздуха, к которым постоянно добавляются химическое топливо и окислитель. Соединение водорода с кислородом обычно происходит внутри пористой полимерной мембраны. 
Водородные ТЭ намного более экологичны, эффективны (их КПД составляет 45%, современного автомобильного ДВС — 35%), надежны, способны работать при низких температурах, при этом менее габаритны. Они могут  применяться в качестве силовых установок в гибридных автомобилях, а в электромобилях — в качестве суперконденсаторов. 

МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Метанол — высококачественное моторное топливо для ДВС — хорошо зарекомендовал себя и как энергоноситель в ТЭ, используемых в портативной электронике, транспортных приложениях, а также в электромобилях. В ТЭ метанол расщепляется при взаимодействии с атмосферным кислородом (воздухом), в результате этой реакции возникает электрический ток и образуется вода в качестве побочного продукта. 

В настоящее время разрабатываются технологии получения метанола из природного газа (минуя синтез-газ) посредством гидрирования из промышленных выбросов углекислого газа (в долгосрочной перспективе его научатся извлекать прямо из окружающего воздуха). Также ведутся разработки по производству биометанола из биомассы (лигноцеллюлозы), что послужит толчком к массовому распространению метанольных ТЭ.  

ДВИГАТЕЛИ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ 

Серьезным конкурентом традиционным видам ископаемого и синтетического топлива и основной альтернативой дизелю может стать диметиловый эфир (ДМЭ). В сравнении с дизельным топливом эфир лучше горит и более экологичен (не содержит серы, в течение суток полностью разлагается в атмосфере на воду и углекислый газ). Это в целом более чистое топливо, некоррозионноактивное, нетоксичное, не вызывает мутаций, в том числе канцерогенного характера. 

Сегодня ДМЭ производится из переработанного угля, природного газа, биомассы, бытовых и промышленных отходов. Также разрабатывается синтетическое биотопливо второго поколения (BioDME), которое может быть изготовлено из лигноцеллюлозной биомассы. Преобразовать дизельный двигатель в ДМЭ-двигатель можно без больших затрат, что будет стимулировать массовое распространение технологии. 

Нетрадиционные двигатели

Основные преимущества электромобилей заключаются в отсутствии выброса отработавших газов и бесшумности работы. Расходы на их ремонт относительно небольшие. Это объясняется простотой ремонта. Электромобили обладают хорошей маневренностью, динамичностью. Все это предопределило применение их в городских условиях эксплуатации (короткие пробеги, частые остановки, насыщенный транспортный поток). Вот почему электромобили уже сегодня получили довольно широкое распространение при транспортировке в городах мелких партий грузов, продуктов, почты, доставке белья из прачечных, сборе и вывозе мусора, очистке и поливке улиц и т.п.[ …]

В отношении экономичности электромобиля данные противоречивы. Некоторые исследователи считают, что стоимость эксплуатации электромобиля по сравнению со стоимостью эксплуатации автомобиля с дизельным двигателем равной грузоподъемности в условиях большого города на 20-50% ниже, При этом срок службы электромобилей в 1,5-2 раза больше. По данным других исследователей, сравнительные затраты энергии обычного автомобиля и электромобилей различных типов свидетельствуют о том, что энергетическая эффективность электромобилей ниже (на 3-4%) аналогичного показателя обычного автомобиля.[ …]

Создавая электромобили, конструкторы придерживаются в основном двух направлений. Первое предусматривает унификацию электромобиля с агрегатами серийного автомобиля (задний и передний мосты, рама и т.д.). Ко второму направлению проектирования электромобиля относят специфические конструкции, в которых используют, например, мотор-колеса, электродвигатель, совмещенный с задним мостом, и т.д. Такое решение позволяет создавать более компактные электромобили.[ …]

Анализируя перспективы использования электромобилей, можно отметить две стадии развития их источников питания. Первая — использование преимущественно существующих свинцово-кислотных аккумуляторов путем приспособления их на электромобили серийных модификаций. Вторая стадия — массовое производство и эксплуатация специально сконструированных электромобилей, оснащенных более энергоемкими батареями, способными увеличить запас хода и скорости. [ …]

Свинцово-кислотная батарея может быть использована лишь для электромобилей с малой скоростью и небольшим запасом хода. В настоящее время на дорогах мира эксплуатируются электромобили в основном для доставки грузов небольшой массы в городских условиях. Все они работают на свинцово-кислотных аккумуляторах, которые, кроме уже отмеченных ранее недостатков, имеют большую массу, составляющую около 40% массы автомобиля. Срок службы свинцово-кислотной батареи 3-5 лет, а энергоемкость 25-35 Вт • ч/кг. Для батарей с малой энергоемкостью срок службы можно считать равным 1500 циклов зарядки-разрядки. Срок службы аккумуляторных батарей с высокой энергоемкостью составляет 150 циклов. Запас хода городского электромобиля при скорости 60 км/ч — приблизительно 100 км.[ …]

Кроме свинцово-кислотных батарей, в качестве источников питания электромобилей применяются никель-кадмиевые, серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторные батареи.[ …]

Из перспективных систем электропитания следует отметить алюминиево-воздушный топливный элемент, в котором электрическая энергия образуется за счет химической реакции металлического алюминия с кислородом из атмосферного воздуха в присутствии электролита. Продукт реакции — тригидроксид алюминия — выпадает из раствора в виде осадка, из которого при последующей обработке на заводе может быть получен чистый алюминий.[ …]

Недостатком алюминиево-воздушного топливного элемента являете значительное внутреннее сопротивление; при ЭДС, равной 2,7В, рабочее нг пряжение элемента составляет всего 1,7 В, что приводит к выделению тепл на внутреннем сопротивлении, поэтому через элемент продувается воздух.[ …]

Рисунки к данной главе:

Вернуться к оглавлению

5 Альтернативные архитектуры двигателей — чем заменить двигатель внутреннего сгорания

Группа разработчиков мультимедийных платформ

С первых дней появления автомобилей в конце 19 века доминирующей силовой установкой был поршневой двигатель с искровым зажиганием, за которым последовал цикл Отто. дизельным двигателем с воспламенением от сжатия. Эти двигатели все еще находятся в стадии разработки, и в ближайшие несколько лет их топливная экономичность значительно улучшится благодаря прямому впрыску, турбонаддуву и, в дальнейшем, воспламенению от сжатия с гомогенным зарядом (HCCI). Однако все эти двигатели имеют одинаковую архитектуру поршень-шатун-коленвал. По мере того, как инженеры стремятся к еще большей эффективности, исследуются новые архитектуры и пересматриваются старые менее успешные типы.

Команда разработчиков медиаплатформ

1 из 5

Stirling

Каждая из обсуждаемых здесь альтернативных архитектур двигателей имеет одну важную общую черту со стандартными поршневыми двигателями, которые доминировали в автомобилестроении более века: топливо сгорает внутри камера для преобразования химической энергии в механическую для движения. Однако для этого требуется подача воздуха и топлива в камеру сгорания, а выхлопных газов — из камеры сгорания, что усложняет работу и снижает эффективность.

В 1816 году шотландский изобретатель Роберт Стирлинг задумал двигатель замкнутого цикла, в котором рабочая жидкость (в данном случае воздух) остается внутри устройства. Источником тепла, которым может быть что угодно, включая горение, является внешний по отношению к двигателю. Подобно Ecomotors OPOC и Scuderi, пары поршней работают вместе, чтобы обеспечить полный цикл. Воздух в одной камере нагревается за счет теплопередачи через стенку цилиндра, отталкивающего поршень вытеснителя, который связан со вторым силовым поршнем в расширительной камере. Поскольку нагретый воздух продолжает расширяться, он смещает силовой поршень, который приводит в движение коленчатый вал, создающий крутящий момент. По мере охлаждения воздуха оба поршня возвращаются в исходное положение, и процесс повторяется.

До недавнего времени двигатели Стирлинга в основном использовались для стационарных применений — отчасти потому, что они не подходили для типичных переходных режимов, когда отдача мощности значительно менялась с течением времени. Тем не менее, новые конфигурации и возможность использования альтернативных видов топлива возродили интерес, особенно для приложений, увеличивающих запас хода, где выгодны работа с постоянной скоростью и низкий уровень шума (из-за непрерывного внешнего сгорания).

Группа разработчиков медиаплатформ

2 из 5

alt_engines_02

Архитектура с оппозитными цилиндрами (OPOC) недавно привлекла значительное внимание с появлением новой компании под названием Ecomotors. В состав Ecomotors входят многочисленные ветераны автомобильной промышленности и инженеры, в том числе Дон Ранкл из General Motors и Питер Хофбауэр, ранее работавший в Volkswagen.

Основным заявленным преимуществом архитектуры OPOC является высокая удельная мощность и повышение эффективности использования топлива на 50 процентов по сравнению с существующими двигателями с искровым зажиганием. Компания «Экомоторс» разработала модульную конфигурацию, в которой каждый модуль состоит из двух цилиндров. Внутри каждого цилиндра находятся два поршня, которые связаны с общим коленчатым валом. Пары поршней колеблются вперед и назад с общей камерой сгорания между ними. Двигатель OPOC работает по двухтактному циклу, при этом каждый поршень открывает только впускные или выпускные каналы, что позволяет лучше управлять тем, какие порты открыты, путем синхронизации каждого поршня.

Хофбауэр объясняет, что использование двух поршней на цилиндр позволяет поршням перемещаться только на половину расстояния при одинаковой степени сжатия, так что двигатель может работать в два раза быстрее. Как и многие из этих альтернативных архитектур, двигатель OPOC может работать на различных видах топлива, включая бензин, дизельное топливо и биотопливо. Модули из двух цилиндров каждый могут быть соединены вместе, обеспечивая столько мощности, сколько необходимо для данного применения, а муфты с электронным управлением позволяют отключать отдельные модули для снижения расхода топлива при небольших нагрузках.

Группа разработчиков медиаплатформ

3 из 5

Scuderi

Уже более века практически все двигатели, которые мы использовали, работали либо на двух-, либо на четырехтактном дизельном цикле или цикле Отто с полным сгоранием. цикл, происходящий в пределах любого количества одиночных цилиндров. Каждый цилиндр будет иметь впуск, сжатие, мощность и выхлоп. Идея разделенного цикла, в котором один цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй за работу с мощностью и выпуском, восходит как минимум к концу 19 века.века, но еще никому не удавалось добиться в этом большого успеха.

Группа Scuderi надеется изменить это с помощью конструкции с разделенным циклом, которую она разрабатывала в течение последних нескольких лет. Каждый модуль двигателя состоит из двух цилиндров и поршней, соединенных между собой коленчатым валом и перепускным каналом высокого давления. Поскольку в первый цилиндр нагнетается только воздух, он имеет степень сжатия 75:1. Выпускной клапан первого цилиндра выпускает воздух под высоким давлением в перепускной канал, где происходит некоторое охлаждение.

Когда впускное отверстие второго цилиндра открывается, когда этот поршень приближается к верхней точке своего хода, воздух под высоким давлением устремляется из кроссовера. После закрытия клапана впрыскивается топливо и воспламеняется примерно на 15 градусов после верхней мертвой точки. Это время гарантирует, что воздух не подвергается повторному сжатию, что повышает общую термодинамическую эффективность. Scuderi утверждает, что безнаддувная версия ее двигателя может развивать мощность до 135 л.с. на литр, что обеспечивает гораздо лучшую удельную мощность и меньший расход топлива, чем у обычных двигателей. Воздушно-гибридная версия с аккумулятором высокого давления, который заряжается во время движения автомобиля накатом, может повысить эффективность еще на 50 процентов. Концепция Scuderi совместима с искровым зажиганием на бензине и других видах топлива или с воспламенением от сжатия на дизельном топливе. Первый работающий двигатель Scuderi начал испытываться на динамометрическом стенде в середине 2009 года., и компания надеется заключить производственную сделку с автопроизводителем в течение пяти лет.

Команда разработчиков медиаплатформ

4 из 5

Свободнопоршневой

Свободнопоршневой двигатель имеет некоторое сходство с OPOC, но обычно использует только два поршня на модуль. Поршни прикреплены к каждому концу сплошного шатуна и колеблются взад и вперед в цилиндре, поочередно запуская каждый поршень в двухтактном цикле. Свободнопоршневые двигатели имеют меньшее трение, чем традиционные поршневые двигатели с коленчатым валом, в результате меньшего вращательного движения. Свободнопоршневой двигатель может достигать термодинамического КПД до 50 процентов, что примерно вдвое превышает КПД обычного бензинового двигателя. Однако то же самое отсутствие вращательного движения делает эту конструкцию проблематичной для использования в качестве двигательной установки.

Одной из архитектурных конфигураций свободнопоршневого двигателя, которая может оказаться полезной в будущем, является использование его в качестве генератора для электромобиля с увеличенным запасом хода. Медные обмотки вокруг центральной секции цилиндра можно было комбинировать с магнитами на шатуне для выработки электроэнергии, которая использовалась бы для зарядки аккумулятора. Компактный размер двигателя и почти полное отсутствие вибраций делают его жизнеспособной альтернативой для этих автомобилей с электрическим приводом.

Группа разработчиков медиаплатформ

5 из 5

Ванкеля

Роторная конструкция двигателя Феликса Ванкеля не совсем новая архитектура двигателя, она использовалась в различных серийных автомобилях с тех пор, как в 1957 году он создал первый работающий прототип. Преимущество Ванкеля в очень высокой удельной мощности. Нынешний 1,3-литровый безнаддувный двухроторный двигатель, используемый Mazda в спортивном автомобиле RX-8, выдает 238 л. с. К сожалению, у Ванкелей были проблемы с высоким расходом топлива и масла, что ограничивало их использование в последние десятилетия.

Однако некоторые современные разработки сделали возрождение Ванкеля вполне возможным. Новые процессы механической обработки могут значительно улучшить качество поверхности стенок камеры, а новые материалы уплотнений могут снизить расход масла и повысить срок службы. Добавление непосредственного впрыска топлива будет способствовать снижению расхода топлива и выбросов за счет предотвращения вытекания несгоревшего топлива через отверстия при проносе ротора.

Появление электромобилей с увеличенным запасом хода (ER-EV), таких как Chevrolet Volt, внезапно стало, казалось бы, идеальным приложением для Ванкельса. Поскольку двигатель в этих транспортных средствах используется только для привода генератора, его можно оптимизировать для работы на определенных фиксированных скоростях, а не для работы в переходном режиме. Компактные размеры также упрощают установку в транспортном средстве этого типа, а работа без вибраций обеспечивает бесперебойную работу без подзарядки. На Женевском автосалоне 2010 года Audi продемонстрировала концепцию ER-EV, основанную на ее новом малолитражном автомобиле A1, в котором используется расширитель диапазона Ванкеля, а консультанты по разработке силовых агрегатов AVL и FEV в последние месяцы продемонстрировали аналогичные демонстрационные автомобили. Даже General Motors признала, что исследует использование Ванкеля для будущих поколений Volt.

Проектирование нетрадиционного двигателя — Boom Box Post

Автор Кэти Мейнард, MPSE

Редактор звуковых эффектов, Boom Box Post

Не так давно мне представилась творческая возможность создать уникальную версию Ван из-за нетрадиционных звуков мотора. Задача состояла в том, чтобы сделать что-то похожее на двигатель из звуков, которые не были машинами или звучали бы как настоящий двигатель. Это был интересный вызов и доказательство того, что мотор можно сделать из чего угодно!

Как проходил ваш мозговой штурм?

Учитывая тот факт, что цель состояла в том, чтобы звук фургона звучал глупо и мультяшно, я знал, что хочу использовать классические мультяшные звуки, а также нетональные инструменты. Мне нужно было искать звуки, которые были бы короткими и не имели слишком большого хвоста, чтобы ритм звучал лаконично. Оттуда я просто начал добавлять в свою сессию кучу звуков, подходящих под это описание, и комбинировать их, пока не нашел что-то, что мне понравилось.

Не могли бы вы пошагово описать процесс?

Шаг 1: Определите, каким должен быть звук вашего автомобиля.

Это подводный аппарат с пузырьковым двигателем или седан с колесом хомяка? В этом случае я хотел спроектировать большой автомобиль с ритмичным качеством из традиционных мультяшных звуков. Он не должен был звучать гладко и высокотехнологично, ржаво и старо. Это привело меня к тому, что я обратил внимание на такие вещи, как шейкеры, воздуховоды, рожки-лампочки и мультяшные поп-музыки.

Вот несколько звуков, которые я использовал:

Вот несколько замечательных, но я решил, что они не подходят для этой конкретной сборки:

Шаг 2: Оцените, насколько реалистично это должно звучать.

В этом случае все еще нужно было звучать как большой дизельный автомобиль, поэтому я знал, что собираюсь использовать некоторые элементы школьного автобуса, фургона и тяжелого грузовика. Они должны были быть наложены вместе с мультяшным мотором, который я собирал, чтобы он выглядел как единое транспортное средство.

Шаг 3: Соберите свои части и создайте ритм из элементов.

Я решил, что мой автофургон будет состоять из трех слоев: более короткие и быстрые звуки — это мои тряски, пузыри и рычание двигателя, более длинные и более громкие элементы, такие как рожки лампочек, свист и выпуск воздуха, и, наконец, реалистичные шинный слой. Как только я ввел их в ритм, который мне нравился, я распечатал их в рабочие длинные файлы, которые создали мой движок. С помощью плагинов, которые использовали графическое изменение высоты тона и скорости, я мог манипулировать этими слоями, чтобы они звучали так, как будто они ускоряются, замедляются, проходят мимо и другие важные элементы, что приводит меня к шагу 4.

Шаг 4: Что мне нужно?

Со всеми транспортными средствами вы хотите построить или найти хороший запуск и остановку, ускорение, замедление, байс, холостой ход и, возможно, более быструю и медленную версию транспортного средства в зависимости от сцены. Это будут слои, которые вы будете использовать, чтобы придать вашему транспортному средству движение и соответствовать действиям на экране. Другими важными вещами, о которых следует подумать, будут двери, рулевое колесо, звуковой сигнал, движение сиденья, ремни безопасности и т. д. Особенно, если это будет транспортное средство, к которому мы вернемся в сериале, чем больше вы построите с самого начала, тем легче будет ваша работа. быть в будущем. Не стесняйтесь экспериментировать с некоторыми забавными версиями этих элементов. Некоторыми примерами могут быть резиновая уточка для вашего автомобильного гудка или хлопки пробки и кувшина при открывании и закрывании дверей.

Шаг 5: Подсластители!

Такие вещи, как выпуск воздуха из тормозов, проскальзывание шин, металлическая подвеска и другие вещи, очень характерные для транспортных средств, сделают звук вашего автобуса очень правдоподобным. Это действительно может превратить вашу редакционную статью из звучащей сносно в действительно отличную работу, которая соответствует визуальным эффектам. В этом примере все мои подсластители были традиционными звуками автомобилей, но это не значит, что вы не можете создавать свои собственные версии, используя нетрадиционные элементы, такие как наш двигатель.

Какой совет вы бы дали новым редакторам о том, как выполнять эту конкретную дизайнерскую работу?

Я бы посоветовал новым редакторам проявить творческий подход к такому заданию. Это то, чего на самом деле не существует, поэтому есть свобода творчества в зависимости от того, насколько вы можете проявить воображение. Вдохновляйтесь реалистичными транспортными средствами с точки зрения шага и скорости и применяйте это к своим нетрадиционным элементам. Я бы также посоветовал поработать с линиями сетки, чтобы убедиться, что все ваши слои следуют точному ритму. Это особенно поможет, когда вы начнете создавать проходы и другие более сложные элементы.