Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение направлено на получение двигателя внутреннего сгорания (ДВС), стабильно работающего во всех диапазонах нагрузки и оборотов коленчатого вала, без «потерь Миллера», по четырехтактному циклу, в котором степень расширения больше, чем степень сжатия, с возможностью реализации при этом рабочего процесса (РП), как Отто, так и Дизеля за два оборота коленчатого вала. Указанный технический результат достигается тем, что ДВС, содержащий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, посредством плоско-параллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, при этом другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, который размещен в блок-картере, причем рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала, при этом поршневой шатун соединен с рычагом-коромыслом через фиксируемый эксцентриковый шарнир, опорный конец рычага-коромысла сочленен шарнирно с эксцентриковым валом, связанным с коленчатым валом посредством шестеренного привода, для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, а именно к поршневым четырехтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), например Дизелям.
По мнению ученых (см. Кутенёв В.Ф., Зленко М.А., Тер-Мкртичьян Г.Г. «Управление движением поршней — неиспользуемый резерв улучшения мощностных и экономических показателей дизеля» Автомобильная промышленность №11, 1998 г.), именно традиционный кривошипно-шатунный механизм (КШМ) препятствует дальнейшему улучшению параметров двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Известен — двигатель Джеймса Аткинсона (James Atkinson) (американские патенты №336505 от 16.02.1886 г. и №367496 от 02.08.1887 г.) — имеющий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, и реализующий обычный четырехтактный рабочий цикл за один оборот, вместо двух оборотов, коленчатого вала, и в котором такты «впуска» и «сжатия» — короче тактов «расширения» и «выпуска», что обеспечивает большую степень расширения рабочего тела, в сравнении с его степенью сжатия, следствием чего является более полное использование энергии рабочего тела, или большая экономичность ДВС. К недостаткам ДВС по циклу Аткинсона следует отнести — нестабильность его работы на малых оборотах из-за меньшей, чем у двигателя Отто, мощности, и значительно больший удельный вес на единицу полученной мощности в сравнении с ДВС на основе традиционного КШМ.
Известен также ДВС с организацией рабочего процесса (РП) по циклу Ральфа Миллера (Ralph Miller) (американский патент №2670595 от 02.03.1954), в котором степень расширения достигает большей величины по сравнению со степенью сжатия — ценой частичного вытеснения воздушного заряда обратно во впускной коллектор, получивший название «потери Миллера», при этом работа двигателя осуществляется по традиционному четырехтактному циклу — за два оборота коленчатого вала. Недостатком ДВС с таким РП — является значительно больший удельный вес на единицу полученной мощности в сравнении с ДВС на основе традиционного КШМ и уменьшение мощности при высоких оборотах, по причине худшего наполнения цилиндров. Стоит отметить, что усовершенствованный РП МИЛЛЕРА используется в ДВС на некоторых автомобилях массового производства, при оборотах холостого хода и средних оборотах. Так MAZDA SKYACTIV, на низких оборотах работает по РП МИЛЛЕРА, а на высоких по циклу ОТТО. В чистом виде — РП МИЛЛЕРА работает в ДВС на гибридах ТОЙОТА.
Оба ДВС, с циклами АТКИНСОНА и МИЛЛЕРА, — аналогичны в том, что в них реализуется РП, при котором — степень «расширения» больше, чем степень «сжатия».
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Поршневая машина» (См. А.С. №909229; опубл. 28.02.1988 г.). Данное техническое решение основано на 5-ти звеном механизме, и содержит механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, а другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, размещенном в блок-картере, при этом рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала.
Данное техническое решение обеспечивает увеличение диапазона регулирования рабочего объема, или степени сжатия ДВС, однако оно не обеспечивает возможность работы ДВС по циклу Дизеля.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предлагаемого изобретения, является — получение ДВС:
— Стабильно работающего во всех диапазонах нагрузки и оборотов коленчатого вала, без «потерь Миллера», по четырехтактному циклу, в котором — степень расширения больше, чем степень сжатия, с возможностью реализации при этом РП, как Отто, так и Дизеля за два оборота коленчатого вала;
— С уровнем точности производства силовых звеньев — ниже, в сравнении с аналогичными деталями классического КШМ, особенно для Дизеля.
Технический результат достигается тем, что ДВС, содержит механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, сочлененный шарнирно с эксцентриковым валом, который связан с коленчатым валом посредством шестеренного привода для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала, а другой конец рычага-коромысла — соединен через фиксируемый эксцентриковый шарнир, с поршневым шатуном и поршнем, находящемся в цилиндре, размещенном в блок-картере, причем в корпусе рычага-коромысла имеется ось, шарнирно соединенная через шатун с кривошипом коленчатого вала.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 — представлена кинематическая схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 — поперечный разрез конструкции многоцилиндрового ДВС.
Предлагаемая конструкция ДВС содержит — блок — картер 1, с размещенным в нем цилиндром с поршнем 2 и поршневым шатуном 3, соединенным, посредством фиксируемого эксцентрикового шарнира 4, с рычагом-коромыслом 5, который в свою очередь содержит в своем корпусе шарнир с осью 6, которая через шатун 7 соединена с кривошипом коленчатого вала 8, причем опорный конец 9 рычага-коромысла 5, сочленен шарнирно с эксцентриковым валом 10, закрепленным на блок-картере 1 через свой корпус, который связан с коленчатым валом 8 посредством шестеренного привода 11 для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала — с целью получения специально подобранной кинематики поршня, обеспечивающей — большую степень расширения рабочего тела, чем его степень сжатия, для более эффективного использования энергии от сгорания топлива.
Предлагаемый ДВС функционирует следующим образом.
Поршень 2, под воздействием расширяющихся газов, давит через поршневой шатун 3 на фиксируемый эксцентриковый шарнир 4, сочлененный с рычагом-коромыслом 5, поворачивая его относительно оси, принадлежащего ему опорного конца 9, который, будучи шарнирно связанным с эксцентриковым валом 10, вращающимся синхронно с коленчатым валом 8, благодаря шестеренному приводу 11, совершает круговое движение с угловой скоростью в два раза меньшей, чем угловая скорость коленчатого вала 8, одновременно с этим шарнир с осью 6, расположенный в корпусе рычага-коромысла 5, через шатун 7 воздействует на кривошип коленчатого вала 8, — проворачивая его для совершения работы, и в тоже время, сообщая ему запас энергии вращения — для осуществления трех — последующих тактов РП ДВС, при этом, весь рычаг-коромысло 5, совершает сложное плоско-параллельное движение, которое передается через фиксируемый эксцентриковый шарнир 4 и поршневой шатун 3 — поршню 2, обеспечивая ему необходимую, специально подобранную кинематику движения — когда на такте «впуска», ход от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), он совершает штатный ход в соответствии с рабочим объемом цилиндра, также, как и на такте «сжатия», при ходе от НМТ к ВМТ, но на такте «рабочий ход» — поршень 2 проходит больший путь, то есть степень расширения в этом случае существенно превышает степень сжатия, что в соответствии с научными положениями теории тепловых машин по ДВС — повышает индикаторный коэффициент полезного действия (КПД). Такт «выпуска» отработавших газов, следующий за «рабочим ходом», соответственно равен по величине «рабочему ходу». Конкретная величина превышения такта «рабочий ход»/»выпуск» над тактом «впуск»/сжатие» определяется радиусом вращения смещенной шейки эксцентрикового вала 10 и подбирается для каждого типа двигателя индивидуально, в зависимости от типа РП, его назначения и т.д. Величина эксцентриситета может иметь ограничения только по предельно допустимым удельным нагрузкам в подшипниках шарнирных соединений силовых звеньев преобразующего механизма, и общих габаритах двигателя, которые зависят от его предназначения.
Назначение фиксируемого эксцентрика состоит в том, что фиксируемый эксцентриковый шарнир 4, или регулируемое звено, посредством которого поршневой шатун 3 соединен с рычагом-коромыслом 5, — представляет собой проворачивающийся эксцентрик с зажимным приспособлением. Положение эксцентрика, после манипуляций по настройке над поршневого зазора S (минимально возможного для Дизеля и оптимального для ОТТО), фиксируется зажимным приспособлением в нужном угловом положении при сборке двигателя, а также в процессе его эксплуатации, по мере необходимости. Наличие регулируемого звена в механизме преобразования, позволяет исключить влияние на величину над поршневого зазора, — точности изготовления линейных размеров всех силовых звеньев механизма, что в свою очередь — значительно упрощает их производство и делает ДВС, например Дизель, с механизмом преобразования по предлагаемому изобретению — более технологичным, в сравнении с Дизелями на основе традиционного КШМ.
Кинематическая схема предлагаемого механизма, не выявляет возможностей ее реализации, поэтому к ней прилагается эскиз поперечного сечения многоцилиндрового ДВС, см. фиг. 2, который является демонстрацией компоновочных возможностей предлагаемого двигателя, вызывающих интерес у конструкторов в его использовании на разрабатываемой ими установке. Предлагаемый ДВС — выполнен по оригинальной конструктивной схеме, где каждый последующий цилиндр, за изображенным на эскизе, — снабжен механизмом преобразования, также как головками цилиндров, и другими механизмами, в чередовании с одной и другой стороны относительно оси коленчатого вала. Такой поочередный тип расположения поршней, с рычагами-коромыслами, приводящими их в движение, и работающими в противофазе, обеспечивают автоматическую динамическую уравновешенность двигателя с обычной установкой крайних выносных противовесов на коленчатом валу, при этом расположение оси коленчатого вала должно быть строго симметрично всей конструкторской композиции, и перпендикулярно эскизу, а оси цилиндров — могут находиться в горизонтальной или вертикальной плоскостях, в зависимости от приспособленности ДВС к удобству использования, но количество цилиндров в нем, должно быть кратно 2, и каждая пара цилиндров — должна работать в противофазе.
Другие компоновочные решения, касающиеся, в том числе, соразмерности величин звеньев, составляющих механизм преобразования, могут иметь ограничения только по предельно допустимым удельным нагрузкам в подшипниках силовых звеньев, в соответствии с предназначением конкретного типа двигателя.
Производство предлагаемого ДВС может быть успешно реализовано с помощью технологических процессов, применяемых в современном двигателестроении, и не требует увеличения точности изготовления силовых звеньев.
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала посредством плоскопараллельного движения рычага-коромысла, имеющего опорный конец, шарнирно связанный с корректирующим кривошипом, при этом другой его конец соединен с помощью поршневого шатуна с поршнем, находящимся в цилиндре, который размещен в блок-картере, причем рычаг-коромысло имеет в своем корпусе ось, шарнирно соединенную через шатун с кривошипом коленчатого вала, отличающийся тем, что в нем поршневой шатун соединен с рычагом-коромыслом через фиксируемый эксцентриковый шарнир, опорный конец рычага-коромысла сочленен шарнирно с эксцентриковым валом, связанным с коленчатым валом посредством шестеренного привода, для обеспечения синхронного вращения с угловой скоростью в два раза меньшей скорости коленчатого вала.
Открытый урок по физике в 8-м классе «Двигатель внутреннего сгорания»
Тема: Двигатель внутреннего сгорания.
Цели:
1. Изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.
2. Рассмотреть историю развития тепловой машины, экологические проблемы и перспективы развития.
3. Совершенствовать навыки работы с оборудованием. Формировать умение делать выводы о проведенных экспериментах. Развивать умение общаться друг с другом.
Оборудование:
1. Модель ДВС.
2. Фото автомобилей, мотоциклов, самолетов, катеров.
3. Карточки с заданиями для групп.
4. Презентация к уроку. (Приложение 1)
План урока:
1. Орг. момент.
2. Проверка знаний. Работа газа и пара при расширении.
3. Новый материал: двигатель внутреннего сгорания.
5. Рефлексия. Подведение итогов.
6. Домашнее задание.
Ход урока
1. Учитель: Сегодня мы изучаем тему «Двигатель внутреннего сгорания». Целями нашего урока сегодня будет: изучить устройство, принцип действия и назначение тепловых машин на примере на примере двигателя внутреннего сгорания; рассмотреть историю развития тепловой машины; экологические проблемы и перспективы развития.
Форма нашего урока будет не совсем обычной. Это будет урок-игра «Конструкторское бюро». Для этого из всех учащихся класса были сформированы четыре группы, которые в течение урока будут выполнять различные задания. Когда задание выполнено, группа поднимает руку. Каждая команда будет иметь возможность высказаться. Названия команд: «Теоретики», «Испытатели», «Менеджеры», «Экологи», в каждой команде около 5 человек.
2. А сейчас проверим, насколько вы уяснили прошлый материал, а заодно и то, как подготовились к уроку. Команды получают задания на карточках.
Карточка №1
Какие двигатели называют тепловыми? Какие виды тепловых двигателей вам известны?
Карточка №2
Приведите примеры превращения внутренней энергии пара в механическую энергию тела?
Карточка №3
Зачеркните лишнее словосочетание: тепловой двигатель, работа газа, превращение энергии, Джеймс Уатт, Лев Толстой, отражение света.
Карточка №4
Разгадайте кроссворд.
Кто выполнил задание – отвечает. По одному представителю о группы.
История ДВС
В 1860 Г француз Э. Ленуар построил устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства. Модель была несовершенная, КПД не превышал 3 %.
Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель внутреннего сгорания, который работал по четырёхтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение.
Первый автомобиль с бензиновым двигателем построили в 1886 году под руководством немецкого инженера Даймлера. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале 20 века начал выпуск автомобилей с конвейера. В России первые автомобили начали строить в начале 20 века.
Учитель: Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. В настоящее время наибольшее распространение имеют двигатели внутреннего сгорания. Остановимся на них.
В ДВС топливо сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Поэтому он и называется двигателем внутреннего сгорания. Работают они на жидком топливе или горючем газе.
Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый при помощи шатуна с коленчатым валом (проследим по модели ДВС).
В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через первый клапан (впускной) поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через второй клапан (выпускной) выпускаются отработанные газы.
В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха (температура достигает 16000 — 18000С). Давление на поршень резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую.
Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня. Ход поршня называют ещё тактом. Поэтому двигатель называют четырёхтактным.
Такты двигателя внутреннего сгорания: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Не во всех двигателях есть свеча для воспламенения смеси. Послушаем сообщение учащегося о двигателе Дизеля:
Двигатель Дизеля
Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрёл двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскалённые газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. В двигателе внутреннего сгорания есть карбюратор, при помощи которого образуется горючая смесь (смесь бензина с воздухом). В двигателе Дизеля нет карбюратора.
КПД дизельных двигателей достигает 35 – 44 %, а у двигателя внутреннего сгорания КПД не превышает 25 – 32 %. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.
Учитель: При использовании для своих нужд тепловых двигателей человек сталкивается с экологическими проблемами
Как влияют тепловые двигатели на окружающую среду?
При работе тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение температуры окружающей среды, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту».
В результате описанных процессов, средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.
Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется атмосферный кислород (в наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах) и образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.
Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.
Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.
Такие виды топлива, как нефть, уголь, газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 45 — 70 лет человечество столкнётся с проблемой нехватки традиционных видов топлива.
Учитель: У вас на столах лежат конверты с заданиями, которые сейчас необходимо сделать.
Конверт №1
На изображении ДВС подписать его устройство.
Конверт №2
Даны рисунки всех тактов ДВС. Необходимо наклеить эти рисунки в правильном порядке и подписать названия тактов.
Конверт №3
По предложенному тексту выписать пути преодоления экологических проблем. (Приложение 2)
№4.2
Из готового текста выбрать профессии, связанные с использованием ДВС.
Врач, механик-водитель, машинист тепловоза, дизелист, автогонщик, учитель.
Группы, выполнившие задания, выдвигают по одному представителю для выступления.
1. Подведем итог урока. Что мы изучили сегодня? Из чего состоит ДВС? Назовите такты работы двигателя. Выставить оценки за урок.
2. Домашнее задание: параграф 22 — учить.
настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания трудится на благо человечества уже более полутора веков. Чтобы не потерять работу, в ближайшие годы старичку придется измениться до неузнаваемости.
Владимир Санников
Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе Детройтском автосалоне буквально били током, а любое упоминание о старом добром ДВС звучало дурным тоном. Так что же — двигатель внутреннего сгорания с треском накрылся капотом? Не спешите с соболезнованиями. По-крайней мере там же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, когда ДВС, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Никогда! Когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».
Аналитики американского Департамента энергетики DOE считают, что ДВС может попыхтеть еще несколько десятилетий. Причем прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году может составить 30%, а к 2030-му — 50%. Технологии, которые помогут добиться этих результатов, тестируются уже сегодня.
Вездесущее пламя
В далеком 1978 году группа ученых японского института Clean Engine Research, пытавшихся оптимизировать процесс сгорания топлива в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необычный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание топливовоздушного заряда происходило без искры свечи зажигания. Но самое интересное — вместо привычного зажигания смеси около свечи и последующего распространения пламени на периферию в камере одновременно возникало огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем обычно, температуре, очень быстро и практически полностью. Имеющийся в то время математический аппарат и уровень развития термодинамики не позволили понять причины возникновения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 20 лет в арсенале инженеров появились мощные средства компьютерного моделирования, которые помогли приоткрыть завесу тайны над HCCI. Работы в этой области в конце 1990-х годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (General Motors).
Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся горячие отработанные газы. Они быстро разогревают этот коктейль, облегчая его перемешивание внутри камеры. Если в условиях классического прямого впрыска топливо распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь представляет собой мельчайший туман. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, температура подскакивает до точки самовоспламенения. Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95−97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает — ему нужны почти гомеопатические доли топлива, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.
Тем не менее отработанная технология HCCI — пока еще дело будущего. Термодинамика процесса чрезвычайно сложна и требует от ученых решения массы проблем. Главные из них — неустойчивая работа на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного облака в камере. Правда, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще регулярно. Специалисты General Motors сообщают, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году. У Volkswagen подход более осторожный — компания разрабатывает новый двигатель, работающий с использованием свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов — в режиме HCCI. Инженеры Nissan также не стоят на месте — недавно они объявили о создании мощного софта, позволяющего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работать над собственным супердвигателем.
Разделение труда
В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал в своем доме все семейство и торжественно сообщил, что разработал ДВС нового типа, который перевернет мир. Детальное описание технологии поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все свои расчеты делал на логарифмической линейке. В 2002 году Кармело, только начав консультации с учеными Университета Саутвест, умер от инфаркта. Дело отца взяли в свои руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с разделенным циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте. Надо сказать, что концепция разделенного цикла не нова. Еще в 1891 году американская компания Backus Water Motor Company выпускала малыми сериями такие моторы, но они не получили распространения, и идея сто лет пролежала на полке.
В двигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности по-братски делятся между парными цилиндрами: один предназначен для впуска и сжатия, другой — для рабочего такта и выпуска отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери состоит из двух таких пар.
В цикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.
Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздух поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси. При этом отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у традиционных четырехтактников. КПД мотора Скудери на 5−10% выше, чем у самых продвинутых современных дизельных турбоагрегатов. Добавление наддува увеличивает разрыв по КПД до 25−50%.
В 2008 году двигатель SCC привлек внимание нескольких крупных автопроизводителей, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, которые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной технологии. Немецкий Daimler и итальянский Fiat также публично подтвердили высокий интерес к мотору Скудери. Компания Robert Bosch заключила контракт со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что однажды эта технология станет серийной. А выдающийся специалист по термодинамике из Массачусетского технологического института профессор Джон Хейвуд назвал разделенный цикл сгорания реальной альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих заводах несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не требуется.
Всеядный двухтактник
Многие специалисты по ДВС сегодня делают ставку на механизм изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Еще в марте 2000-го инженеры Saab представили прототип автомобиля с экспериментальным бензиновым двигателем 1,6 л с технологией SVC (Saab Variable Compression). Этот мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н•м крутящего момента, потребляя при этом на 30% меньше топлива, чем обычные аналоги по мощности.
За прошедшие десять лет технология VCR сделала огромный шаг вперед. Французская компания MCE объявила недавно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход топлива 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов. Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора составляет 300 л.с.- почти 162 л.с. на 1л объема. Расчетный максимальный крутящий момент превышает 400 Н•м при 4000 оборотах вала. Ключевой элемент конструкции — гидравлический актуатор, который поворачивает эксцентрик, связанный с коленвалом двигателя. Качание эксцентрика поднимает и опускает вал относительно головки блока цилиндров, изменяя степень сжатия от 8,5 до 18:1.
Дальше всех в разработке технологии VCR продвинулась знаменитая Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года британцы представили свой концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым впрыском топлива и изменяемой степенью сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое топливо и при этом экономичен и экологически чист.
На выставке Engine EXPO 2009 британская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС. Идея автора концепции Герхарда Шмитца заключается в использовании четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют разный внутренний диаметр. Маленькие первый и третий работают по обычному четырехтактному циклу. Средний, низкого давления, – на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме. Во время первых трех тактов смесь, как обычно, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выхлопа в большом цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.
Omnivore — это моноблок с цельнолитыми блоком и головкой. Рабочий объем мотора — всего 0,5 л. Одно из главных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В обычных ДВС износ происходит из-за микронных движений болтов в местах крепления головки к блоку. Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте позволяет варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Система впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital. Она позволяет готовить сбалансированную смесь внутри цилиндра независимо от вида топлива. Такая смесь является базовой для режима HCCI, а система управления впрыском — основой для управления параметрами HCCI.
Механизм изменения степени сжатия Omnivore представляет собой подвижную шайбу в верхней части цилиндра, движущуюся за счет вращения пары эксцентриков. В нижней позиции шайбы степень сжатия достигает 40:1. В шайбу интегрирован один из инжекторов FlexDI, а второй, неподвижный, встроен в корпус цилиндра. Испытания продемонстрировали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, при этом он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.
Почему британцы взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, долго придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов. Проблема таких ДВС — неэффективное сжигание топлива на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому крайне интересны для автоиндустрии. Кроме того, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, главный инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.
Конец двигателя внутреннего сгорания
по Thomas Frey | 18 ноября 2021 г. | Technology Trends
Две недавние разработки ускорят переход мира к полностью электрическим автомобилям… и отказ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для легковых автомобилей.
- На недавней конференции COP 26 в Глазго более 100 организаций подписали Глазгоское соглашение по автомобилям с нулевым уровнем выбросов, предусматривающее поэтапный отказ от автомобилей с ДВС к 2035 году. Среди подписантов были Ford и General Motors. Канада и Великобритания подписались вместе с Калифорнией, Нью-Йорком, штатом Вашингтон и городом Даллас.
- Недавно принятый в США законопроект об инфраструктуре на сумму 1,2 триллиона долларов включает финансирование станций зарядки электромобилей (EV) на сумму 7,5 миллиарда долларов. Цель состоит в том, чтобы к 2030 году иметь 500 000 станций по всей стране. В настоящее время у нас их около 100 000.
Переломный момент
Помимо политики, из этих двух событий наибольшее влияние на наш полный переход на электромобили окажет финансирование счетов за инфраструктуру.
Большинство автопроизводителей уже несколько лет предлагают как минимум одну модель электромобиля. Но несколько технологических и инфраструктурных проблем нанесли ущерб их продажам: ограниченный запас хода этих автомобилей на одной зарядке, нехватка зарядных станций и тот факт, что зарядка электромобиля даже до 80% может занять до 30 минут. В глазах многих потребителей это делает электромобиль непрактичным как «единственный автомобиль».
Тем не менее, новые инновации в области аккумуляторов и быстрой зарядки не за горами. Мы также увидим распространение многообещающих технологий зарядки на ходу, которые мы недавно изучили. Я предсказывал к 2025 году запас хода в 1000 миль и 10-минутное время перезарядки. Чтобы это произошло, нам понадобится еще пара прорывов, но мы быстро движемся в этом направлении.
Вместе с тем, когда станции быстрой зарядки электромобилей станут таким же обыденным явлением, как и заправочные станции, сомнения потребителей быстро исчезнут — задолго до 2035 года9.0003
Насколько мы близки?
В 2020 году электромобили составляли 4,5% продаж новых автомобилей по всему миру и составляли примерно 1% всех транспортных средств на дорогах. Лидировали европейские страны.
Однако давайте констатируем очевидное. Переход на электромобили не будет происходить одинаковыми темпами и в одно и то же время во всех странах и регионах мира.
Инфраструктура и другие ресурсы не распределяются и не будут равномерно распределены, чтобы это произошло. Переход также может быть не таким важным приоритетом для стран, которые сталкиваются с гораздо более серьезными проблемами, такими как войны, перевороты, голод и другие неизбежные угрозы. Таким образом, мы увидим вторичные рынки для подержанных автомобилей с ДВС в менее развитых странах в течение десятилетия или двух. Местные производители автомобилей в этих и других местах могут даже продолжать производить автомобили с ДВС для местной продажи.
Какие последние новости от крупных международных автопроизводителей об их переходе на автомобили с нулевым уровнем выбросов (будь то батарея или технология водородных топливных элементов)? Вот несколько подробностей об их текущих планах:
- Audi — Все новые модели, выпущенные после 2026 года, будут электромобилями. Тем не менее, компания продолжит выпускать свои нынешние бензиновые, дизельные и гибридные модели до начала 2030-х годов.
- Volvo . К 2025 году 50% продаж автомобилей будут электромобилями, а 50% — гибридами. После 2030 года компания будет производить только электромобили.
- Ford – К 2025 году 40-50% их глобальных продаж будут составлять электромобили, а в Европе этот показатель составит 100%.
- Nissan . К началу 2030-х все их новые автомобили, продаваемые в Японии, Китае, США и Европе, будут электромобилями.
- Volkswagen — к 2035 году все их продажи в Европе будут электромобилями, а вскоре после этого — в США и Китае.
- General Motors — К 2035 году компания будет продавать только электромобили.
- Хонда — К 2040 году компания будет продавать только электромобили в Северной Америке, Китае и Японии.
- Hyundai — к 2040 году все их модели будут полностью электрическими.
Замыкает Тойота, которая, как сообщается, использует более тяжелые водородные батареи и все модели которой к 2050 году будут иметь нулевой уровень выбросов.
Конец Ледникового века последние дни бензиновых автомобилей, которые станут значительным нарушением жизни и нынешнего мирового порядка. В то время как мандаты местных органов власти могут повлиять на сроки для определенных компаний на год или два, переход на электромобили во всем мире не будет обусловлен этими указами; мир после ICE будет представлен горсткой инноваций.
Когда мы доберемся туда, наш мир будет выглядеть совсем по-другому, и я говорю не только о зарядных станциях и стильных тихих автомобилях.
- Нефтегазовый сектор будет снижаться.
В настоящее время автомобили малой грузоподъемности — легковые автомобили и небольшие грузовики — потребляют около 40% нефти, добываемой в США. Упадок этих транспортных средств с ДВС серьезно подорвет нефтегазовую промышленность в следующем десятилетии. В сочетании с нынешними тенденциями к более широкому использованию солнечной, ветровой, тепловой, гидроэнергии, атомной энергии и разведки и добычи ископаемого топлива, производство станет нишевой отраслью, а не движущей силой экономики. - Наша меняющаяся экономика.
Помните, как деиндустриализация 1970-х и 1980-х годов привела к экономической катастрофе в Детройте и во всем «ржавом поясе»? Если энергетические компании продолжат чрезмерно инвестировать и полагаться на добычу ископаемого топлива, а правительства не найдут способ отказаться от зависимости от налогов на производство энергии и налогов на топливо, мы увидим аналогичные локальные экономические спады в таких штатах, как Техас и Северная Дакота. и Нью-Мексико. - Внешняя политика будет выглядеть иначе.
США, Россия и Китай входят в тройку крупнейших нефтедобывающих стран мира. В первую десятку также входят Ирак, ОАЭ, Иран и Кувейт. Влияние этих стран неизбежно изменится, и цели стратегической дипломатии каждой страны на земле тоже изменятся. Страны, которые могут предложить миру лучшие энергетические технологии, будут иметь дипломатическое преимущество.
Как насчет тяжелых грузовиков и оборудования?
Более тяжелые автомобили с дизельным двигателем — например, сельскохозяйственная и строительная техника, а также грузовики класса 8 и военная техника — переживут легкие автомобили и грузовики с ДВС. Но придет и их время. Tesla (конечно же!) представила электрический полуприцеп, который, как сообщается, имеет лучшую производительность, чем дизельные грузовики. Крупные межгосударственные наземные грузоотправители, такие как DHL и Walmart, очень заинтересованы в переходе на грузовики EV, как только появятся дополнительные инновации в области аккумуляторов.
Корректировка нашей перспективы
Интересная вещь о будущем и его различных временных горизонтах. Увидим ли мы широкое распространение летающих автомобилей? Комплексная метавселенная? Добыча полезных ископаемых на астероидах и широко распространенные системы доставки с помощью дронов? Да мы будем. Но эти концепции, вероятно, кажутся такими же футуристическими и надуманными, как мысль о том, что мы все будем ездить на электромобилях с нулевым уровнем выбросов, казалась рациональному человеку в 1960 году.
Начало конца автомобиля с двигателем внутреннего сгорания?
«Ожидается, что новая политика, подробно описанная в среду утром на пресс-конференции, ускорит глобальный переход к электромобилям», — сообщили Корал Дэвенпорт, Лиза Фридман и Брэд Плюмер для The New York Times 24 августа.
«Правило устанавливает ежегодную дорожную карту, чтобы к 2035 году 100 % новых автомобилей и легких грузовиков, продаваемых в Калифорнии, были автомобилями с нулевым уровнем выбросов, включая гибридные электромобили с подключаемым модулем», — говорится в пресс-релизе California Air от 25 августа. Совет по ресурсам (CARB), регулирующие органы, отвечающие за улучшение самого плохого в стране качества воздуха в штате и принятие правил, отвечающих строгим стандартам штата по сокращению выбросов парниковых газов.
Регламент реализует и систематизирует цели в отношении легковых автомобилей, изложенные в Исполнительном указе губернатора Ньюсома N-79-20.
[ Связанный пост : Исчезнет к 2035 году: Срок годности продаж автомобилей с бензиновым двигателем истекает в Калифорнии, 24 сентября 2020 г.]
То, что происходит в Калифорнии, не остается там крупнейшим автомобильным рынком в Соединенных Штатах, но более дюжины других штатов обычно следуют примеру Калифорнии, устанавливая свои собственные стандарты выбросов автомобилей», — добавляют Давенпорт, Фридман и Плюмер.Известная как Раздел 177 для того раздела Закона США о чистом воздухе, который касается выбросов выхлопных газов, все, кроме двух из пятнадцати штатов, могут принять Калифорнийскую программу транспортных средств с нулевым уровнем выбросов. [См. соответствующий тег.]
Если эти штаты добьются своего и большинство из них, как ожидается, примут аналогичные правила, ограничения будут применяться примерно к трети автомобильного рынка США.
Впереди вызов Power Grid«Это огромно», — сказала Марго Оге, эксперт по электромобилям, которая возглавляла программу Агентства по охране окружающей среды по транспортным выбросам при президентах Билле Клинтоне, Джордже Буше-младшем и Бараке Обаме. По мере того, как новые штаты внедряют свои собственные версии этой политики, «они будут стимулировать рынок и инновации», — сказала она.
Выступая на CNN в субботу утром, ведущая Амара Уокер спросила Оге:
«Я уверена, что вы слышите… электромобилей, особенно с уже нагруженной рекордной жарой электросетью. А как насчет значительных инвестиций в сетевую инфраструктуру, потому что теперь на дорогах будут миллионы аккумуляторных электромобилей или даже электромобилей на топливных элементах?»
Оге признал существующую напряженность, которая заставила губернатора Ньюсома рассмотреть вопрос о продлении срока службы единственной оставшейся в штате атомной электростанции, которую планировалось закрыть в 2025 году, и четырех старых электростанций, работающих на природном газе.
«То, что я слышу от экспертов, касается не столько количества электромобилей, которые будут заряжаться ежедневно, сколько того, в какое время суток будут производиться эти зарядки», — ответил Оге.
«Например, я живу в Лос-Анджелесе, и Эдисон в Южной Калифорнии давал мне отличный тариф, если я заряжал свою машину в любое время дня, кроме как с 4:00 до 9:00.:00. Так что для меня это все равно, что потратить 2 доллара на бензин…»
[Средняя цена бензина в Калифорнии на 28 августа: 5,28 доллара за галлон.]
Что насчет правоприменения?Что делать, если потребители автомобилей не будут сотрудничать? Фридман и Плумер из Times написали 26 августа, что план устанавливает «строгие ограничения на то, что автопроизводители могут и не могут продавать. Невыполнение этих целей влечет за собой угрозу суровых наказаний».
Цели, согласно CARB: «Новый регламент ускоряет выполнение требований, согласно которым автопроизводители должны ежегодно поставлять все большее количество легковых автомобилей с нулевым уровнем выбросов, начиная с 2026 модельного года. Продажи новых ZEV и PHEV начнутся с 35% в этом году, сборка до 68% в 2030 году и достичь 100% в 2035 году».
«Если автопроизводители не соблюдают требования, им грозит штраф в размере 20 000 долларов за каждый новый автомобиль, проданный с нарушением целевых показателей», — добавляют Фридман и Плюмер.
Поскольку эта сумма намного превышает норму прибыли типичного легкового автомобиля, маловероятно, что компании захотят платить штраф, считают эксперты.
Связанный :«Калифорния хорошо соблюдает свои правила», — сказал Дэн Беккер, директор кампании за безопасный климатический транспорт в Центре биологического разнообразия. «Компании на свой страх и риск нарушают эти правила».
- По мере роста продаж электромобилей выбросы от транспорта продолжают расти, 20 мая 2019 г.
- Одни только электромобили не сократят выбросы для достижения климатической цели Калифорнии, 29 ноября 2018 г.
Энергия Окружающая среда Правительство / Политика Инфраструктура Технологии Мир Соединенные Штаты Калифорния Калифорнийский совет по воздушным ресурсам Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) Центр биологического разнообразия Электрические транспортные средства Экологические правила Исполнительный указ электромобили Двигатель внутреннего сгорания Запрет на двигатели внутреннего сгорания Энергосистема Раздел 177 Государства Программа транспортных средств с нулевым уровнем выбросов Южная Калифорния Эдисон Дэн Беккер Корал Давенпорт Лиза Фридман Губернатор Гэвин Ньюсом Марго Оге Брэд Пламер Амара Уокер Просмотреть еще
Будущее двигателей внутреннего сгорания глазами Rolls-Royce Power Systems
Обоснование перемен
Двигатели внутреннего сгорания нашли применение во многих областях с изобретением бензиновых двигателей с искровым зажиганием и дизельных двигателей с воспламенением от сжатия до начала 19 век. Оба принципа являются преобладающими и используются до сих пор.
В целом, мощность ДВС варьируется от малой (одна цифра кВт или даже меньше) до очень большой (примерно до 80 000 кВт) выходной мощности. Наиболее важными для Rolls-Royce Power Systems являются внедорожные двигатели в диапазоне мощностей от 560 кВт до примерно 10 000 кВт, поскольку они составляют основу силовых передач на конечных рынках Power System. Этот сегмент рынка представляет собой особую часть общего мирового рынка ДВС, на котором преобладают дорожные приложения (таблица 1).
Таблица 1: Номера единиц для шоссейных и внедорожных автомобилей (i)
В последние десятилетия разработки ДВС основное внимание уделялось увеличению удельной мощности, карте производительности (с целью оптимизации расхода топлива потребление при заданных профилях нагрузки и скорости), повышения эффективности и сокращения выбросов. В последние годы повышенное внимание к обезуглероживанию силовой передачи дорожных автомобилей также распространилось на многие области применения на рынках внедорожной техники.
В то время как многие обсуждения современного ДВС, связанные с двигателями, вращаются вокруг больших объемов двигателей, производимых для автомобильной промышленности, в этой статье рассматривается будущее ДВС через призму наших приложений и отраслей. Тем не менее, само собой разумеется, что определенные технологические достижения на рынке автомобильной техники были и будут переноситься и внедряться на рынок внедорожной техники и, таким образом, также в продукты и приложения Power Systems.
Ключевыми приложениями, представляющими интерес для Rolls-Royce Power Systems и данного документа, являются:
- Производство электроэнергии: Генераторные установки с двигателями внутреннего сгорания для критически важных и резервных источников питания в больницах, центрах обработки данных и т. д.
- Производство электроэнергии: производство электроэнергии в непрерывном режиме с помощью дизельных или газовых генераторов. Например, теплоэлектростанции с комбинированным циклом или стабилизация сети в отдаленных районах, где нет других жизнеспособных форм производства электроэнергии
- Горнодобывающая, нефтегазовая и железнодорожная промышленность: Использование ДВС в качестве трансмиссии для транспортного и машинного оборудования
- Судостроение и яхтинг: системные решения ICE для движения судов
- Правительственный: Высокопроизводительные ДВС для силовых установок и бортовой выработки электроэнергии на суше и на море.
В таблице 2 показан рынок дизельных двигателей с ДВС в соответствии с разделением по областям применения. Он делится на большое количество единиц, развернутых в критически важных приложениях и приложениях резервного питания, и менее 30% в транспортных средствах.
Таблица 2: Рыночная структура внедорожных двигателей с ДВС в год. (ii)
Сегодня на рынке внедорожников преобладают двигатели внутреннего сгорания, работающие на ископаемом топливе, которые вызывают значительное количество выбросов CO2. Основываясь на собственных расчетах, мы оцениваем общие выбросы CO2 на рынке внедорожной техники с дизельными двигателями мощностью более 560 кВт примерно в 690 Мт эквивалента CO2 в 2019 году (в соответствии с методом расчета SBTvi). (ви).
Учитывая, что у нас есть ограниченный накопленный бюджет на выбросы парниковых газов (ПГ), чтобы удержать глобальное потепление значительно ниже 2 °C (исходное значение МГЭИК: 1170 Гт CO2-экв.) или предпочтительно 1,5 °C (исходное значение МГЭИК: 420 Гт CO2-экв. ) ) по сравнению с доиндустриальным уровнем, приложения на основе ICE играют ключевую роль в достижении климатических целей. (iii) На внедорожный транспорт (6%) и производство электроэнергии и тепла (42%) приходится почти 50% глобальных выбросов CO2 в результате сжигания ископаемого топлива в 2020 году (iv). Следовательно, использование двигателей, работающих только на ископаемом топливе, должно быть резко сокращено, и при этом внедрение ДВС или даже его замена должны в конечном итоге стать нейтральными по отношению к выбросам CO2 или вообще не содержать CO2.
Повышение топливной экономичности и сокращение выбросов отработавших газов ДВС, предусмотренные все более строгими нормами выбросов (введенными, например, IMO, EPA), за последние несколько лет сделали значительные шаги и будут продолжать делать это. Тем не менее, этого было бы недостаточно для достижения целей по сокращению выбросов парниковых газов к 2030 году и, таким образом, чистых нулевых целей к 2050 году, чтобы оставаться ниже сценария увеличения потепления на 2°C. Именно по этой причине необходимо разрабатывать и внедрять новые технологии, которые постепенно заменят обычные ДВС, работающие на ископаемом топливе.
Каковы возможные пути продвижения вперед?
Помимо непрерывной работы по повышению топливной эффективности и сокращению выбросов ДВС, работающих на ископаемом топливе, следующие технологические принципы оказывают наибольшее влияние на сокращение выбросов и обещают существенное снижение выбросов ПГ:
- «выхлопная труба», т.е. улавливание и хранение выбросов таким образом, чтобы они никогда не попали в атмосферу земли. Поскольку этот подход пока не актуален для наших областей применения, в данной статье он далее не обсуждается.
- Использование двигателей внутреннего сгорания с устойчивым, т. е. неископаемым, топливом (синтетическое топливо или электронное топливо, часто отнесенное к видам топлива «Power to X» (PtX), такое как eDiesel, eHydrogen и т. д., а также биотопливо 2-го поколения). Следовательно, цель состоит в том, чтобы добиться нулевого выброса CO2 при работе двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от типа топлива оно относится либо к топливу, которое поглощает из воздуха такое же количество CO2, связывает его из биогенных источников или из других источников выбросов CO2 для своего производства, сколько выделяется при использовании в ДВС при сжигании этого топлива. Или это относится к топливу, например. водород, который бы вообще не выделял СО2 на выхлопной трубе.
- Переход на альтернативы для двигателей внутреннего сгорания. В зависимости от применения это может быть электродвигатель, если требуется вращательная механическая энергия, или статическое решение, такое как топливный элемент или батарея. Продукты и инфраструктура, использующие солнечную и ветровую энергию для зарядки аккумуляторов или производства зеленого водорода, уже доступны, хотя их количество и доступность сильно зависят от страны и местоположения.
Принимая во внимание технические, коммерческие и нормативные ограничения, помимо важных экологических аспектов, возможны комбинации вышеперечисленного с современными ДВС, работающими на ископаемом топливе, например. гибридные электро-дизельные решения для транспортного сектора.
Независимо от того, какой принцип или комбинация технологий выбраны, мы считаем, что крайне важно учитывать полный баланс ПГ и, следовательно, всю цепочку создания стоимости «от скважины до колеса» или с точки зрения жизненного цикла продукта «от колыбели до могилы». ». Например, что касается выбросов парниковых газов и целей, бесполезно сжигать топливо в ДВС, которое не выделяет CO2 (скажем, водород), если топливо было произведено с помощью источников энергии, выделяющих CO2 (например, электричество от электростанций, работающих на ископаемом топливе). Поскольку многие химические процессы, такие как создание водорода, требуют электричества, крайне важно, чтобы последний производился, передавался и хранился экологически безопасным способом, т. е. с использованием возобновляемых источников энергии. Следовательно, отраслевая связь и согласование электроэнергетики и энергопотребляющих отраслей станут очень важными.
Рисунок 1: Совместное использование приложений ICE и замещающие технологии (внутренний источник)
На рисунке 1 представлен прогноз ожидаемых релевантных технологий, необходимых для преобразования рынка, как мы его видим сегодня. Независимо от основного сценария выбросов парниковых газов, рисунок показывает наши ожидания в отношении все еще важной роли ICE в ближайшие годы. Тем не менее, он явно конкурирует с развитием технологий аккумуляторов и топливных элементов.
Влияние сценариев рыночного спроса на ДВС и заменители ДВС
Принимая во внимание указанные выше технические варианты и предполагаемые временные интервалы, как показано на рис. 1, мы считаем, что спрос на электроэнергию для наших приложений и, следовательно, спрос на ICE и альтернативу ICE будет сосуществовать в течение многих лет. Однако распределение вариантов будет развиваться в соответствии с лежащим в их основе паттерном, который обсуждается в этой главе.
Мы получили наши рыночные ожидания, предполагая три сценария сокращения выбросов на основе отчетов МЭА и МГЭИК. Один сценарий с сегодняшними политиками и решениями (сценарий 1), другой, который предполагает гораздо более строгую политику и очень сильное продвижение и доступность зеленой водородной экосистемы (сценарий 2), и один с такими же строгими политиками, как сценарий 2, но водородная экосистема не строится, поскольку быстрое и устойчивое топливо соответственно увеличивается.
Рисунок 2: Сценарии трансформации рынка (внутренний источник) – 1) нормализованные по базовому спросу 2019
Перевод сценариев глобального потепления на наши рынки позволяет создавать стратегические дорожные карты для развития технологий. В июне 2021 года Rolls-Royce Group взяла на себя обязательство по сокращению выбросов парниковых газов в рамках кампании «Бизнес-амбиции на 1,5°C» (v). Как видно из рисунка 2, независимо от сценария, доля ICE как одиночного решения или части гибридной системы все равно будет в пределах 60-9.0%. С ориентацией на третий сценарий и, возможно, даже с более сильным поглощением водорода, ICE по-прежнему будет составлять две трети или более развернутого портфеля. Тем не менее, чтобы соответствовать базовым значениям выбросов, половина ДВС должна работать на экологичных видах топлива.
Насколько такой сценарий станет реальностью, зависит от ряда движущих сил. Основными из них являются стандарты устойчивого финансирования, рыночные рамочные правила, такие как цена CO₂ или лимиты выбросов CO₂, глобальное согласование стандартов и цепочки энергоснабжения, включая наличие инфраструктуры. В результате этих сценариев мы готовимся к сочетанию технологий ДВС и электротехники (включая гибридные решения и решения на топливных элементах). Но каким бы ни было детальное сочетание, мы твердо верим, что аккумуляторные системы будут играть все более важную роль во всех наших приложениях. Аккумуляторы, особенно в комбинированных технологических решениях, позволят справиться с присущими нашим приложениям пиковыми нагрузками.
В целом, но особенно в наших областях применения, объемы закупок аккумуляторных систем будут увеличиваться в геометрической прогрессии. Они составляют значительную часть общих затрат на гибридные и электрические системы (примерно 25–30 % на гибридную морскую/железнодорожную систему). Можно ожидать, что соответствующие факторы успеха для внедрения аккумуляторных систем, а именно цена и плотность энергии (гравиметрическая и объемная), будут продолжать улучшаться в течение следующего десятилетия, особенно в наших областях применения, как они уже произошли в других областях применения. . Например, в автомобильной промышленности цены на аккумуляторы упали почти в 9 раз.0% за последние десять лет. Технологические движущие силы для дальнейшего совершенствования аккумуляторных технологий находятся за пределами нашей отрасли. Примеры включают автомобильный сектор, где плотность энергии, быстрая зарядка, долговечность и т. д. имеют решающее значение, или коммунальный сектор, где необходимы высокая энергия и длительное время хранения. Таким образом, будет невозможно разработать собственные аккумуляторные технологии, адаптированные к нашим областям применения. Тем не менее, упаковка аккумуляторных систем для конкретного применения будет решающим фактором из-за небольшого объема / большого разнообразия в наших отраслях. Ключевым моментом будет гармонизация и стандартизация архитектуры с повторно используемыми модулями в наших промышленных приложениях — в то же время мы должны иметь возможность извлекать выгоду из достижений в области аккумуляторных технологий, которые мы будем наблюдать каждые несколько лет в будущем.
Соединяем кусочки для достижения жизнеспособности
Амбиции по выбросам парниковых газов и развертывание новых технологий должны быть жизнеспособными для различных сегментов клиентов и приложений во время установки и на протяжении всего жизненного цикла решения. Следующие четыре ключевых аспекта следует учитывать при выборе вариантов, описанных в предыдущих главах.
- Установленная база
В отрасли, где срок службы активов исчисляется десятилетиями, управление установленной базой и отношениями с клиентами являются ключевыми. Учитывая, что внедорожные транспортные средства или здания и инфраструктура строятся вокруг приводных систем, то есть вокруг ДВС, выполнение будущих требований по выбросам парниковых газов должно учитывать специфику установленной базы и соответствующие реалии применения.
Внутренние расчеты Rolls-Royce Power Systems показывают, что в соответствии с определением Science-Based Targets (SBT) (vi) выбросы парниковых газов в течение всего срока службы нашей продукции, эксплуатируемой в данном календарном году, примерно в 1000 раз превышают годовые выбросы парниковых газов на всех объектах Комбинированные энергосистемы Rolls-Royce (vii). Таким образом, использование CO2-нейтрального топлива для любых продуктов, используемых в полевых условиях, или сокращение общих выбросов за счет комбинации технологий (например, газовый ДВС + батарея) будет иметь большое влияние на сокращение выбросов ПГ еще в этом десятилетии. Он будет продвигать не только различные технологии, такие как топливо или аккумуляторы PtX, но и комплекты для переоборудования ДВС для использования альтернативного топлива (например, ДВС с природного газа на ДВС с водородом). Последнее поможет обезопасить инвестиции в уже установленную базу или базу, которая будет установлена в ближайшее время. - Совокупная стоимость владения
Совокупная стоимость владения (TCO) имеет ключевое значение для клиентов, особенно при постоянно работающем оборудовании. Большинство наших двигателей внутреннего сгорания имеют наработку более 3000 часов в год. Снижение эксплуатационных расходов является постоянным драйвером дальнейшего совершенствования ДВС.TCO также включает стоимость топлива и соответствующие налоги, сборы за выбросы и нормативную базу, которая защищает инвестиции с длительным периодом окупаемости. Стоимость устойчивого топлива определяется стоимостью сырья, энергии и процесса химического преобразования. Первые исследования показывают возможности для конкурентоспособных затрат, сопоставимых с биотопливом, но это сильно зависит от наличия доступных и стабильных возобновляемых источников энергии. (viii, ix)
Наш анализ и оценки предсказывают более высокие средние затраты на экологичные виды топлива в 2-3 раза по сравнению с ископаемыми видами топлива к 2030 году. Это приведет к увеличению совокупной стоимости владения для клиентов, если не будут приняты балансирующие меры, связанные с использованием ископаемых видов топлива.
Однако реальная совокупная стоимость владения в будущем будет также зависеть от стоимости выбросов, особенно выбросов CO2. Принимая это во внимание, будущие цены на CO2 потенциально могут компенсировать дополнительные затраты на экологичные виды топлива, поскольку сокращение или полное исключение затрат на выбросы CO2 окажет положительное влияние на совокупную стоимость владения.
Наконец, нормативно-правовая база должна быть такой, чтобы можно было быть уверенным в том, что сегодняшние инвестиции принесут ожидаемую прибыль. Следовательно, клиенты и инвесторы должны быть уверены, что решения, задуманные сегодня и развернутые в ближайшем будущем, в долгосрочной перспективе будут соответствовать стандартам и политикам. Например, ИМО должна дать указания относительно требований к выбросам в будущем. При любых обстоятельствах следует избегать лоскутного одеяла стандартов.
Если приведенные выше критерии совокупной стоимости владения благоприятны, топливо с нейтральным выбросом CO2 и без CO2 для двигателей внутреннего сгорания является жизнеспособной альтернативой на многие годы. Это позволило бы избежать высоких затрат и рисков, связанных с полной перепроектировкой основных приложений (таких как суда, железнодорожные вагоны и т. д.), и позволило бы продолжать использовать проверенные конструкции, сохраняя при этом амбиции по сокращению выбросов парниковых газов.
- Осуществимость технологий моста
Технологии моста необходимы для снижения возможных высоких затрат и рисков для приложений при переходе на более революционные технологии.Мы ожидаем, что экологичные виды топлива с нейтральным выбросом CO2 будут играть важную роль, особенно до тех пор, пока технологии без выбросов CO2 (например, топливные элементы) не достигнут более высокого уровня зрелости. Наши клиенты уже сильно нуждаются в этих видах топлива для использования в существующих автопарках. Преимущество таких видов топлива, как экологичное дизельное топливо или экологически чистый метан, в особенности заключается в использовании существующей инфраструктуры для распределения. ДВС, работающий на водороде, и гибридная силовая установка являются дополнительными вариантами снижения воздействия выбросов на окружающую среду во всех сегментах и создания моста к чистой нулевой силовой установке.
Компания Rolls-Royce Power Systems четко рассматривает ДВС как жизнеспособную технологию перехода к экономии выбросов CO2. Поскольку разработка новых технологий заменителей ДВС, не содержащих CO2, требует времени, мы ожидаем, что более 60% поставляемой нами продукции по-прежнему будут основаны на технологии ДВС в 2030 году. Чтобы достичь третьего сценария на рис. абсолютный выброс парниковых газов на 35% ниже по сравнению с портфелем в 2019 году.
Превращение ДВС в связующую технологию означает адаптацию сегодняшних и будущих платформ ДВС к широкому использованию топлива с нейтральным выбросом CO2. Имеющиеся в настоящее время топлива для преобразования газа в жидкость (GtL) и гидроочищенного растительного масла (HVO) имеют аналогичные характеристики по сравнению с будущими топливами PtX с нейтральным выбросом CO2. Их можно использовать для разработки и демонстрации возможности использования топлива PtX на платформах ICE до тех пор, пока топливо PtX не будет доступно в больших количествах. Принимая во внимание водород, ДВС, работающие на природном газе, с возможностью модернизации для частичного или полного сжигания водорода, представляют собой не только промежуточную технологию, но и технологию, нейтральную по отношению к CO2 или даже без CO2 в будущем.
- Рыночные и прикладные приоритеты
Несмотря на то, что мы видим стремление рынка и клиентской базы к сокращению выбросов парниковых газов, готовность внедрять новые устойчивые технологии у разных групп клиентов сильно различается. Нормативно-правовая база и политика являются основными движущими силами, но также и индивидуальными интересами групп клиентов. Хорошим примером является группа клиентов из правительства, военно-морского флота и обороны: хотя приоритетами по-прежнему являются доступность, безопасность и надежность их продукции, многие из этих клиентов также стремятся достичь нулевого уровня выбросов в 2050 году (x). Здесь альтернативные решения станут более интересными только тогда, когда они докажут, что действительно предлагают аналогичные технологические характеристики по сравнению с зрелыми технологиями привода и движения. С другой стороны, потребительский сегмент стационарной энергетики более прогрессивен с новыми технологиями, особенно если выброс сокращение может быть монетизировано в их бизнес-кейсах (сертификаты или сниженный налог на выбросы CO2) или если разрешения на строительство зависят от низкого уровня выбросов.Исходя из этого, технологические изменения не будут происходить одновременно во всех потребительских сегментах. Различные приложения будут развиваться в своем собственном темпе и, вероятно, будут использовать разные технологические концепции. К сожалению, не будет универсальной базовой технологической базы, как это было с дизельным или газовым ДВС, а скорее будет ряд сосуществующих технологий на многие годы вперед. ДВС не исчезнет как ключевой технический вариант в будущем. Даже в 2050 году ICE, вероятно, будет базовой технологией для некоторых конкретных приложений.
Принимая во внимание ключевые критерии покупки, связанные с ископаемым топливом (как представлено на рис. 3), и предполагая приемлемую оценку совокупной стоимости владения, наличие связующих технологий и конкретные приоритеты приложений, мы ожидаем изменения в распределении технологий, как показано справа. стороне рисунка 3.
Рисунок 3: Ключевые критерии покупки жидкого топлива для ДВС (внутренний источник)
Хотя мы считаем, что технология ДВС будет частично заменена новыми технологиями в 2030 году, отнесенными к категории «Электрифицированные и гибридные». Уровень замещения сильно зависит от приложения. В 2030 году ICE по-прежнему будет иметь большую долю во всех потребительских сегментах. Естественно, источник топлива играет важную роль. Свою роль уже сыграют жидкие и газообразные СО2-нейтральные виды топлива. С этой целью проводятся исследования клиентов, в которых рассматриваются варианты модернизации в новой конструкции машинных отделений и т. д., чтобы транспортные средства или суда не нужно было перепроектировать или утилизировать, когда двигательная технология требует изменений. Варианты модернизации могут включать в себя что угодно: от изменения типа топлива по сравнению с гибридными решениями до совершенно новых технологий.
Резюме и заключение
Учитывая мировую гонку за нулевыми выбросами, а также важный вклад и влияние наших отраслей, в этом информационном документе рассматривается ожидаемое влияние Rolls-Royce Power Systems на основные рынки, особенно на двигатели внутреннего сгорания. , среднесрочные и долгосрочные.
Сегодняшнее применение на рынке внедорожной техники в судостроении, промышленности и энергетике в значительной степени зависит от ископаемых видов топлива и вносит значительный вклад в выбросы парниковых газов. Для достижения целей Парижского соглашения и ограничения роста глобальной температуры значительно ниже 2°C с целью достижения 1,5°C будут предприняты активные усилия по разработке новых технологий. Мы верим, что рынок преобразится в невиданных ранее масштабах, что приведет к существенному сокращению выбросов парниковых газов.
Мы оценили внешние факторы, специфику наших рынков и приложений, осуществимость технологии и жизнеспособность развертывания. Это приводит нас к выводу, что после сценария глобального потепления в соответствии с Парижским соглашением отраслевой портфель, который раньше почти полностью базировался на ДВС, работающем на ископаемом топливе, превратится в один, треть приложений которого будет электрическим / гибридным. К 2030 году две трети из них будут основаны на ДВС. Последние будут иметь равную долю между устойчивым и ископаемым топливом. Однако есть несколько критериев, в первую очередь нормативно-правовая база и доступность инфраструктуры, которые могут либо несколько изменить баланс, либо повлиять на сроки развертывания.
Завершая это ожидание, мы видим, что принцип ДВС как таковой по-прежнему будет играть важную роль в трансформации рынка в ближайшие годы и в будущем с нулевым уровнем выбросов, особенно если устойчивые виды топлива будут доступны, как предполагалось. Тем не менее, чисто электрические решения, основанные на технологиях аккумуляторов и топливных элементов, будут все чаще внедряться, когда/если требования приложений будут действительно удовлетворены. Чтобы добиться сокращения выбросов уже в этом десятилетии, мы стремимся продвигать разработку ДВС как промежуточной технологии с использованием устойчивых видов топлива в дополнение к разработке электрифицированных решений и топливных элементов.
Для наших отраслей и других отраслей крайне важно, чтобы рыночная трансформация была обусловлена твердой приверженностью отрасли, согласованной с регулирующими органами, и подходом к ней с глобальной точки зрения на сокращение выбросов парниковых газов «от скважины до колеса».