Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания: эволюция и альтернативы.

Одна из примечательных черт нашего времени - охватившая планету автомобилизация. Только за последние 50 лет мировой автопарк увеличился более чем в 12 раз и превысил 630 миллионов машин. Особенно бурно этот процесс протекал в Европе, где за полвека произошел 30-кратный скачок - с 7 до 230 миллионов автомобилей. По данным журнала "Motor Vehicle", их производство в 1995 году составило: в США - 12 миллионов, в Японии - 10,2, в Германии - 4,7, во Франции - 3,5, в Великобритании - 1,8, в Италии - 1,7 миллиона автомобилей. Всего же в мире с конвейеров автозаводов ежегодно сходит больше 40 миллионов машин.
В развитых странах, таких, как Канада, Германия, Италия, Япония, Франция, Великобритания, на 1000 жителей приходится 500-700 автомобилей, в США - около 800. Эти впечатляющие по нашим меркам цифры (в России менее 150 автомобилей на 1000 жителей) продолжают расти, так что, скорее всего, до полного удовлетворения автомобильных потребностей жителей планеты еще далеко. Во всяком случае по зарубежным прогнозам рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти XXI века.
Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым.
В журнале «Наука и Жизнь» рассмотрению этой проблемы уделяется много внимания. Причём с 90 гг. в теоретической области прослеживается явная тенденция к изменению направления исследований в данной области: от поиска путей усовершенствования ДВС таким образом, чтобы сделать его экологически более безопасным к разработкам неких альтернативных экологически безопасных вариантов источников энергии, способных привести в движение автомобиль.
До настоящего момента никакие альтернативные решения проблемы ДВС не нашли применения в массовом производстве. В то время как именно это условие – применение источника энергии в массовом производстве, - является необходимым для «оздоровления» автомобиля.
Таким образом, практически наиболее успешны как раз разработки, касающиеся усовершенствования ДВС. К середине 90гг. в эволюции ДВС, судя по опубликованным стстьям,  наблюдалась следующая картина:
В развитых странах, таких, как Канада, Германия, Италия, Япония, Франция, Великобритания, на 1000 жителей приходится 500-700 автомобилей, в США - около 800. Эти впечатляющие по нашим меркам цифры (в России менее 150 автомобилей на 1000 жителей) продолжают расти, так что, скорее всего, до полного удовлетворения автомобильных потребностей жителей планеты еще далеко. Во всяком случае по зарубежным прогнозам рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти XXI века.
Своим беспрецедентным распространением по всему миру автомобиль обязан главным образом двигателю внутреннего сгорания (ДВС), созданному больше 100 лет назад, но до сих пор не имеющему конкурентов. При сравнительно небольшой массе он развивает значительную мощность, достаточно надежен, экономичен, работает на сравнительно недорогом топливе. ДВС гарантирует высокие скорости и хорошие тяговые свойства автомобиля в любых условиях движения.
Однако с годами, по мере роста автомобильного парка, все больше стал проявляться существенный недостаток ДВС - он оказался причиной значительного загрязнения атмосферного воздуха, особенно в крупных городах. При большом скоплении автомобилей количество выбрасываемых с выхлопными газами вредных веществ становится недопустимо большим. В Лондоне, например, уже в шестидесятые годы из-за смога, образованного выхлопными газами автомобилей, отмечались случаи резкого роста смертности людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. В семидесятых годах загазованность улиц Токио была так велика, что регулировщики движения часто стояли на посту в противогазах.
И в России автомобильный транспорт стал одним из главных загрязнителей атмосферы. Его вредные выбросы во многих городах в 4-5 раз превышают загрязнение воздуха промышленными предприятиями. Вот типичные цифры, иллюстрирующие масштабы бедствия: в 1993 году с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца.
Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один - надо если не полностью исключить, то во всяком случае свести к минимуму вредные выбросы ДВС.
Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов. Мировая практика давно доказала высокую эффективность применения нейтрализаторов, но распространение их в России сдерживается - все еще не решены экономические, технические и организационные проблемы.
Все крупные автомобильные компании, особенно в последние годы, заняты поиском решений экологических проблем, связанных с автомобильным двигателем. Они постоянно совершенствуют действующие и предпринимают шаги к созданию новых моторов с наиболее полным сгоранием топлива. Результат этой работы налицо. Современные автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10-15 раз меньше вредных веществ, чем автомобили восьмидесятых годов. Этому в значительной степени способствовали такие нововведения, как двигатели, работающие на переобедненных смесях, многоклапанные системы газораспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание. При пуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева. На режимах торможения двигателем применяют экономайзер принудительного холостого хода - клапан, отключающий подачу топлива.
Большое внимание уделяется подбору обедненных регулировок дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы коррекции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией разряда свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода.
Для уменьшения выброса оксидов азота используется рециркуляция - перепуск части отработавших газов из выпускного трубопровода во впускной - при этом понижается температура сгорания и их образуется значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане и системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя на всех режимах. Кроме того, автомобильные заводы планомерно ужесточают технологические допуски и повышают точность изготовления приборов питания и зажигания, впускной и выпускной систем, деталей крипошипного механизма и газораспределения.
Благодаря этим усовершенствованиям загрязнение атмосферного воздуха заметно уменьшается. И все же полностью удалить токсичные вещества из отработавших газов не удается.
Кроме того, предлагаются к использованию нейтрализаторы различного типа, применение которых реально способно уменьшить выбросы в атмосферу. Однако общий тон статьи говорит о том, что ДВС никогда не сможет стать полностью экологически безвредным, кроме того, сам процесс роста количества автомобилей в мире сводит на нет результаты технических новинок, призванных уменьшить загрязнени от ДВС.
Уже в следующих публикациях (1997г.) предлагаются альтернативы ДВС, в частности электромобили.  Первые в мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале 80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899 году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.
Тяговый электродвигатель в таких электрических автомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм. Значит, для того, чтобы "прокормить" двигатель мощностью в 20 киловатт (27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Эквивалентное же ему по запасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всего в 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилей стало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвью автомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологические проблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.
Сама по себе замена ДВС электродвигателем, конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массой полегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 лет после первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (то есть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов (43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобака остаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.
Если же учесть необходимость многочасовой зарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие, относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслуживших батарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторный электромобиль пока непригоден.
Поэтому внимание авторов публикаций направлено на поиск альтернативных аккумулятору источников тока для двигателя электромобиля, в частности, химических источников тока - гальванических элементов. В основе их работы лежат окислительнор-восстановительные реакции, которые сопровождаются передачей электронов от атомов одного вещества (восстановителя) к атомам другого (окислителя). Если при этом непрерывно или время от времени выводить из источника образовавшиеся в нем продукты реакции, а взамен подавать в него все новые и новые реагенты. Они в этом случае выполняют роль топлива, и именно потому такие элементы носят название топливных.
В качестве окислителя предлагается, естественно, кислород. Восстановитель – топливо, его необходимо возить с собой. И потому при его выборе приходится прежде всего исходить из так называемого массо-энергетического показателя - полезной энергии, выделяемой при окислении единицы массы.
Наилучшими в этом отношении свойствами обладает водород, вслед за которым идут некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, а затем - алюминий. Однако именно алюминий наиболее безопасен из всех. В качестве электролита предлагается использовать щелочной раствор, так как в щелочной среде алюминий восстанавливается в присутствии дешёвых катализаторов.
В качестве недостатков указываются коррозия анода и большой расход воды. Однако даже при указанных недостатках коэффициент полезного использования алюминия достигает 98%. Сам же щелочной электролит отходом при этом не становится: отфильтровав от него кристаллы гидроксида алюминия, этот электролит можно снова заливать в элемент. Кроме того, отходов в привычном смысле этого слова при работе воздушно-алюминиевого источника тока не образуется. Ведь получаемый при разложении алюмината натрия гидроксид алюминия - это просто белая глина, то есть продукт не только абсолютно чистый экологически, но и весьма ценный как сырье для многих отраслей промышленности. Именно из него, например, обычно производят алюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплав этого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутый ресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока. Но гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Ведь очень многие искусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты - выполняются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или бериллия соответственно.
Стоимость "отходов" воздушно-алюминиевого источника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а масса их при этом в три раза больше массы исходного алюминия.
Самый большой недостаток - дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Но судя по всему, специалисты видят большую перспективу именно в этом пути решения проблемы. В публикациях 1998 г. рассматриваются возможные пути устранения этого недостатка.
Одна из статей посвящена, в частности, последним разработкам Института металлургии имени А. А. Байкова Российской академии наук.
Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе — металлы, и в частности — алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.
Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. И тогда появится дополнительный стимул не только для решения проблемы автомобильного топлива, но и для пересмотра конструкции самого автомобиля. Кузов, в частности, будет иметь каркасную конструкцию из легкого и не поддающегося коррозии материала и станет много легче. А снижение веса автомобиля непременно уменьшит энергозатраты на его движение.
Однако поскольку подобные источники энергии всё ещё далеки от массового потребителя, разработчики автомобильных компаний параллельно с поиском альтернатив ДВС занимаются проблемой повышения его экологической безопасности.
В 1999 г. в журнале большое внимание уделяется проблеме качества топлива, применяемого для ДВС, и его воздействия на окружэающую среду. В частности, идет борьба с попаданием в атмосферу высокотоксичных соединений свинца, содержащихся в качестве антидетонационных присадок в этилированном бензине. Около 20 лет назад во всех развитых странах мира началось вытеснение этилированного бензина высокооктановым топливом без соединений свинца. Чтобы наладить его производство, пришлось переоснащать нефтеперерабатывающие предприятия и внедрять на них новые технологии переработки нефтепродуктов. Западная Европа намерена уже в ближайшие 10 лет окончательно избавиться от этилированного бензина. В России введен государственный стандарт Российской Федерации на четыре сорта неэтилированных бензинов: “Нормаль-80”, “Регуляр-91”, “Премиум-95” и “Супер-98”. По детонационным свойствам эти бензины соответствуют прежним А-76, АИ-91, АИ-95 и АИ-98.

С 2000 г. в журнале появляются публикации, посвящённые вопросам поиска альтернативных источников энергии не только для автомобилестроения, но для нужд человечества в целом. Эти публикации рассказывают о разработках, направленных далеко в будущее, потенциально способных осуществить переворот в энергетике.
В частности, в одном из номеров рассматривается новый горючий материал, найденный в океане, - метангидрат.
В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду). Эти числа выведены на основе бурения и сейсмической разведки в ограниченном числе мест, но полученные данные распространены на те области океана, где есть сходные условия.
Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Многие страны уже заинтересовались данным веществом. Соединенные Штаты, согласно перспективным расчетам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разрабтку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны. Намечено, что к 2015 году начнется эксплуатация прибрежных хранилищ метангидрата.

Страниц: 1 2
Здесь вы можете написать комментарий

* Обязательные для заполнения поля
Все отзывы проходят модерацию.
Архив сайта
Навигация
Связаться с нами
Наши контакты

magref@inbox.ru

+7(951)457-46-96

О сайте

Magref.ru - один из немногих образовательных сайтов рунета, поставивший перед собой цель не только продавать, но делиться информацией. Мы готовы к активному сотрудничеству!