Архив за Январь 2018

31 января

Сжиженный природный газ (LNG)

Сжиженный природный газ (СПГ) (англ. Liquefied Natural Gas) – это природный газ, охлажденный до температуры сжижения. СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, которая не токсична и не вызывает коррозии. Кроме того, это не самовозгорающийся газ, что выгодно отличает его в плане безопасности. В жидком состоянии газ занимает гораздо меньший объем. Одинаковое количество СПГ и природного газа отличаются по объему в 600 раз. Чтобы наглядно представить себе это различие, сравните надувной пляжный мяч и шарик для пинг-понга.

Энергетический рынок огромен и добыча природного газа увеличивается с каждым годом. Поэтому роль СПГ, наряду со сжатым природным газом, газоконденсатными жидкостями (NGL) и GTL (газ в жидкость) в обозримом будущем будет возрастать.

Получение и хранение сжиженного природного газа

Сжижение природного газа – не новая технология, ей уже более ста лет. Она была запатентована в США в 1914 году, а через три года был построен первый завод. С тех пор производство СПГ прочно вошло в нефтегазовый сектор, однако повышенный интерес к нему стал проявляться только в последние годы в связи с ростом экологических требований к источникам энергии.

СПГ производят путем охлаждения природного газа, состоящего в основном из метана, до точки сжижения -162° по Цельсию. В процессе сжижения от газа отделяются и отфильтровываются кислород, сера, азот, двуокись углерода и вода. Поэтому полученный продукт отличается высокой чистотой. После сжижения газ транспортируется в жидком состоянии и в пункте назначения может быть опять восстановлен в газообразную фазу на специальных СПГ терминалах (регазификация).

В настоящее время существует несколько промышленных технологий сжижения природного газа, в основе которых лежит один из двух способов: каскадный процесс или процесс Линде (разновидностью его является процесс Клода).

В каскадном процессе газ, сжижающийся при более высокой температуре, используется в жидком виде для охлаждения и сжижения второго газа, находящегося под избыточным давлением, температура сжижения которого ниже. Второй сжиженный газ, в свою очередь, используется в третьем каскаде для охлаждения и сжижения еще более трудно конденсируемого газа и т.д. Для сжижения природного газа достаточны три цикла с использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана.

Процесс Линде основан на эффекте Джоуля-Томсона. Предварительно охлажденный и находящийся под давлением газ пропускается через теплоизолированный трубопровод, в котором имеется сужение (дроссель) или пористая перегородка. За дросселем газ расширяется, в результате чего происходит его дальнейшее охлаждение. После нескольких таких циклов газ достигает температуры сжижения.

Хранится сжиженный природный газ при давлении от 3 до 10 бар в емкостях с вакуумной изоляцией. Температура хранения варьируется в зависимости от состава газа и давления. При атмосферном давлении температура СПГ не должна превышать -162° C.

Сжиженный природный газ как автомобильное топливо

Одним из главных преимуществ СПГ является снижение выбросов СО2 и других парниковых газов (до 30% по сравнению с бензином и дизтопливом). Это делает его весьма востребованным в контексте общей тенденции к более экологичным энергетическим решениям. Применение СПГ также позволяет укладываться в строгие современные нормы выбросов, чего не удается достичь с другими видами топлив.

Сжиженный природный газ (как и сжатый газ) существенно снижает коррозию и износ частей двигателя по сравнению с бензином. Это связано с тем, что газ не смывает масляную пленку со стенок цилиндра при холодном пуске. Дизельные моторы, работающие на природном газе, зачастую проходят свыше 800 000 км без капремонта.

Молекула метана обладает высокой стойкостью, поэтому октановое число природного газа составляет от 105 до 120 единиц, что является причиной его высокой антидетонационной стойкости. Выбросы двигателей, работающих на газе, чище, с меньшим содержанием углерода и твердых частиц (сажи).Объемная плотность энергии СПГ примерно в 2,4 раза выше, чем у сжатого природного газа. Плотность энергии сжиженного природного газа сравнима с пропаном и этанолом, но составляет лишь 60% плотности энергии дизтоплива, и 70% бензина.

Широкому коммерческому использованию СПГ препятствует более высокая стоимость производства и необходимость хранения в дорогостоящих криогенных резервуарах. Однако с учетом истощения запасов нефти, повышения экологических требований, газификация автомобильного транспорта, особенно тяжелых грузовиков и автобусов будет возрастать.

26 января

Свежий взгляд на создание моторов

Чтобы отсрочить закат эры ДВС, производители всеми силами пытаются его усовершенствовать. Причем иногда применяют совершенно неожиданные решения.

Например, инженеры Mazda создали бензиновый (Skyactiv-G) и дизельный (Skyactiv-D) моторы, степень сжатия у которых одинакова и равна 14:1. Как же им это удалось?

Skyactiv-G от Мазды

Идея повышения степени сжатия бензинового ДВС состоит в снижении средней температуры цикла. Чем ниже температура горючей смеси, тем сильнее ее можно сжать без возникновения детонации. Для этого, прежде всего, изменили систему выпуска, применив настроенные каналы по схеме 4-2-1. При этом выхлопные газы, не мешая друг другу, поочередно выбрасываются в атмосферу. Это улучшает продувку цилиндров, так как количество газов, попадающих в них, уменьшается. Соответственно, газы не повышают температуру горючей смеси. Снижение доли ОГ с 8 до 4% позволяет повысить степень сжатия на три единицы. А непосредственное распыливание бензина в цилиндре, охлаждая воздух, делает возможным увеличить сжатие еще на единицу. Помогают улучшить газообмен система изменения фаз на впускном и выпускном распредвалах. Для меньшего нагрева камер сгорания уменьшили диаметр цилиндров, одновременно увеличив ход поршня. Все эти меры в совокупности привели к повышению крутящего момента на низких оборотах. Японцы называют такой подход downspeeding в противоположность распространенному сейчас downsizing. Экономия топлива и снижение вредных выбросов достигается за счет того, что такой мотор работает на оборотах в среднем на 15% ниже, чем обычный. Японцы утверждают, что их атмосферный Skyactiv-G объемом два литра по экономичности превосходит 1,4-литровый турбомотор.

Skyactiv-D от Мазды

В отношении дизелей маздовцы считают, что в обычных турбированных моторах высокие давление и температура не позволяют впрыскиваемому топливу равномерно перемешаться с воздухом. В результате неполного сгорания в ОГ повышается содержание оксидов азота и сажи. В моторе Skyactiv-D степень сжатия снижена, и топливо впрыскивается намного раньше. Поэтому оно успевает полностью сгореть, что позволяет уложиться в Евро-6 без дорогостоящих приспособлений для нейтрализации NOх. Есть и еще два существенных преимущества. Во-первых, так как впрыск и воспламенение происходят гораздо раньше, то фаза расширения, а вместе с ней и КПД мотора увеличиваются. Во-вторых, расширяется рабочий диапазон – до 5200 об/мин.

Двигатель имеет два последовательных турбокомпрессора, создающих давление наддува 1,4 атм. Уверенный запуск при низких температурах призвана обеспечить система изменения фаз газораспределения. На выпускном распредвале установлены специальные «прогревочные» кулачки. Во время такта впуска выпускные клапаны приоткрываются, чтобы часть ОГ попала обратно в цилиндр, подогревая смесь. После прогрева система переключает клапана на обычные кулачки. Общий вес мотора снижен на 10%. А крутящий момент и экономичность снижены на 20% по сравнению с прежним «хитом» Мазды MZR-CD 2.2.

А над чем собираются работать японцы дальше? Теперь в их планах создание бензинового двигателя с воспламенением от сжатия!

BMW — моторы из кубиков

Признанный лидер двигателестроения BMW решил собирать моторы по модульному принципу. Немецкие специалисты пришли к выводу, что исходя из таких критериев как КПД, тепловой баланс, механические и насосные потери, идеальный рабочий объем одного цилиндра должен составлять пол-литра. А идеальная камера сгорания должна содержать расположенную по центру форсунку непосредственного впрыска, свечу и четыре клапана. Имея «идеальный» цилиндр, двигатели можно строить, как из кубиков. Отличаться они будут только турбонаддувом. В трехцилиндровом будет одна турбина, в четырехцилиндровом – двухпоточная, а в шестицилиндровом – битурбо. Унифицированы будут цепной привод распредвалов, системы изменения фаз газораспределения и ходы клапанов.

Но это еще не все. Инженеры рассчитали, что в равных по объему турбированных бензиновых и дизельных моторах можно использовать одни и те же алюминиевый блок цилиндров, поддон картера, коленвал, шатуны, масляный насос, привод ГРМ и навесное оборудование.

Таким образом, легко регулировать объемы выпуска двигателей в зависимости от спроса, а на одной производственной линии можно выпускать до четырех их моделей. Главными направлениями дальнейшего развития в BMW считают экологичность и экономичность.

25 января

Гибридный премиум от Mercedes-Benz

Первый серийный гибрид Mercedes появился в 2009 году. Это была модель S 400 HYBRID с литий-ионной батареей. Вторым стал S 300 BlueTEC HYBRID. А нынешний S 500 PLUG-IN HYBRID представляет собой уже второе поколение «экологичной» линейки Mercedes-Benz. Принцип действия гибридной установки остался прежним. ДВС и электромотор могут работать независимо друг от друга. Отличия от первого поколения – в обновленных системах рекуперативного торможения и интеллектуального управления энергией (Intelligent HYBRID energy management system).

Батареи S 400 HYBRID и S 300 BlueTEC HYBRID были автономными, они подзаряжались только при рекуперативном торможении, движении под уклон, либо от ДВС. Новая же высоковольтная литий-ионная батарея S 500 PLUG-IN HYBRID не только обладает в 10 раз большей емкостью, но и получила возможность подзарядки от внешнего источника. Разъем зарядного устройства расположен с правой стороны заднего бампера.

Силовая установка Mercedes-Benz S 500 PLUG-IN состоит из 80-киловаттного электродвигателя с крутящим моментом 340 Нм и нового трехлитрового бензинового ДВС. V-образная турбированная «шестерка» развивает мощность в 333 л.с. и выдает 480 Нм крутящего момента. При таких солидных показателях расход топлива составляет всего лишь 3 л/100 км с эмиссией СО2 69 г/км. Максимальная скорость в 250 км/ч и ускорение до «сотни» за 5,5 секунд тоже впечатляют. На «чистой» электротяге гибрид может проехать около 30 километров.

Нажатием кнопки водитель может выбрать один из четырех гибридных режимов:

  • HYBRID: основной режим;
  • E-MODE: движение только на электротяге;
  • E-SAVE: полностью заряженная батарея не используется с целью сохранения энергии для последующего движения в режиме E-MODE;
  • CHARGE: батарея заряжается во время движения.

 

«Тактильная» педаль акселератора обеспечивает превосходное управление автомобилем и чувство обратной связи, активируя ДВС в зависимости от усилия нажатия.

Интеллектуальная система управления энергией второго поколения принимает в расчет не только текущие дорожные условия и действия водителя, но и обладает «упреждающим» действием. Она учитывает наличие подъемов, спусков, поворотов, ограничения скорости на последующие восемь километров пути.

Intelligent HYBRID, используя данные системы навигации COMAND Online, регулирует заряд и разряд высоковольтной батареи. Например, она может использовать часть энергии батареи при движении по ровной дороге, «зная», что впереди будет спуск, на котором затраченную энергию можно будет восстановить путем рекуперации.

Лучшим способом для сохранения энергии батареи является максимальное использование рекуперации при движении под уклон и при торможении. После нажатия на педаль тормоза первоначальное замедление происходит от подключения электромоторов, а не от действия дисковых тормозов. При этом электродвигатели, работая в режиме генератора, подзаряжают батарею. Новый S-Class – первый гибрид, на котором используется рекуперативная система торможения (RBS) второго поколения. Она обеспечивает совершенно незаметное для водителя переключение между «электрическим» и механическим торможением.

Педаль тормоза оснащена датчиком, фиксирующим усилие, с которым водитель нажимает на нее. В зависимости от величины этого усилия и дорожных условий, RBS регулирует время действия рекуперативного торможения электродвигателями и механического, осуществляемого дисковыми тормозами.

Кроме того, ДВС отключается при движении под уклон, а инерция движущегося накатом автомобиля преобразуется электродвигателями в энергию заряда батареи. Бензиновый мотор используется для заряда батареи как можно реже и только при работе в наиболее эффективных режимах.

22 января

Chevrolet Spark EV — первый серийный американский электромобиль

В октябре 2011 года General Motors объявила о начале работ над электрической версией автомобиля Chevrolet Spark, предназначенном не только для американского, но и для других мировых рынков. Для GM Spark EV стал второй попыткой создания электромобиля после печальной истории с GM EV1 в 1999 году. Уже через год на автосалоне в Лос-Анджелесе была представлена производственная версия и было обещано начать полноценные продажи в июне 2013 года. General Motors обещание сдержала, и Америка получила свой первый отечественный серийный электромобиль.

Четырехдверный хэтчбек (длина 3720 мм, ширина 1600 мм) приводится в движение электродвигателем мощностью 150 кВт (143 л.с.) и крутящим моментом 542 Нм. Такая энерговооруженность позволяет 1356-килограммовой машинке разгоняться до 100 км/ч за 7,6 секунды. Максимальная скорость ограничена 144 км/ч. Благодаря уникальной запатентованной конструкции электродвигателя и системы активного демпфирования Spark EV движется практически бесшумно, повышая комфортность поездки. Однако это обстоятельство вынудило конструкторов устанавливать на Spark EV дополнительный источник звука, который бы предупреждал пешеходов о его приближении. Усилие на передние ведущие колеса передается через планетарный редуктор от стандартной шестиступенчатой АКПП с передаточным отношением 3,17. Индикатор режимов PRNDL расположен на приборной панели. Режим L предназначен для максимальной экономии энергии при движении в городе. При этом водителю практически не приходится пользоваться педалью тормоза – электромобиль замедляется, как только отпущена педаль акселератора.

Питает мотор 21 кВтч литий-железо-фосфатная батарея весом 255 килограммов, емкости которой хватает на 132 километра. Батарея имеет жидкостную систему, которая, в зависимости от рабочих условий, либо охлаждает, либо подогревает ее. Заряд от электросети напряжением 240 В занимает семь часов, для экспресс-зарядки до 80% емкости потребуется 20 минут. Контролировать и управлять процессом зарядки можно удаленно, с помощью смартфона. Батарея имеет квадратную форму и располагается под сиденьями в задней части электромобиля, там, где в бензиновой версии находится бензобак. Корпус батареи изготовлен из современных высокопрочных композитных материалов, что снижает ее вес и повышает надежность.

По оценке американского Управления по охране окружающей среды (ЕРА) расход электроэнергии Spark EV в бензиновом эквиваленте составляет 1,8 л/100 км в городе, и 2,2 л/100 км на шоссе. Это не опечатка – в городе электромобиль экономичнее из-за более частого применения системы рекуперации энергии торможения.

Специалисты и автомобильные журналисты, участвовавшие в тест-драйвах, в один голос отмечают бесшумность и плавность хода Spark EV и неплохую динамику. Несмотря на небольшие размеры, это вовсе не спартанский электромобиль, особенно в «верхней» комплектации 2LT. В стандартное оснащение входит фирменная информационно-развлекательная система Chevrolet MyLink с семидюймовым цветным сенсорным экраном и система навигации Bringo. Цена электромобиля в Калифорнии 25000$, а с учетом налоговых льгот составит 17495 $, что делает его самым доступным электромобилем на рынке. Продаваться Spark EV будет также в Южной Корее, Индии, Канаде и в Европе.

17 января

Требования Всемирной топливной хартии к дизельному топливу

Цетановое число – это характеристика компрессионного воспламенения топлива. Увеличение цетанового числа уменьшает время проворачивания коленчатого вала двигателя до пуска, а также заметно снижает выбросы вредных веществ, расход топлива и шумность работы.

Цетановый индекс – это цетановое число топлива, которое вычисляется на основе измерения свойств топлива. Цетановое число определяется на испытательном двигателе и отражает влияние топливных присадок, улучшающих цетановое число топлива.

Цетановый индекс и цетановое число по-разному влияют на эксплуатационные характеристики автомобиля. Следовательно, чтобы избежать передозировки топливных присадок, необходимо сохранять минимальную разницу между цетановым индексом и цетановым числом.

Плотность и кинематическая вязкость. Изменения плотности (и кинематической вязкости) топлива приводят к изменению мощности двигателя и, следовательно, к изменению выбросов из двигателя и расхода горючего. Чтобы сделать работу двигателя и выбросы выхлопных газов оптимальными, и минимальное, и максимальное предельные значения для плотности должны быть определены в достаточно узком диапазоне.

Пониженная плотность будет уменьшать выбросы твердых частиц из всех дизельных автомобилей и выбросы NOx из тяжелонагруженных автомобилей. Однако пониженная плотность также будет увеличивать расход топлива и снижать мощность, снимаемую с двигателя. Изменения кинематической вязкости топлива (понижение плотности обычно приводит к снижению вязкости) могут усилить влияние плотности на мощность (но необязательно на расход горючего), особенно в сочетании с топливными насосами распределительного типа.

Серийные дизельные двигатели настраиваются на некоторую стандартную плотность, которая определяет количество впрыскиваемого горючего. Объемное количество впрыска горючего – это параметр управления для систем очистки отработавших газов, таких как система рециркуляции выхлопных газов (РВГ). Следовательно, изменения плотности топлива приводят к неоптимальным уровням РВГ для данной нагрузки и данной скорости в сравнении с заложенными в программу автомобиля и, как следствие, влияют на характеристики выхлопных газов.

Подача горючего и регулировка впрыска также зависят от вязкости топлива. Высокая вязкость может снизить скорость расхода горючего, приводя к недостаточной подаче топлива. Очень высокая вязкость горючего может привести к деформации насоса. Низкая вязкость, с другой стороны, будет увеличивать протечки из насосных элементов и в худшем случае (низкая вязкость плюс высокая температура) может привести к полной потере топлива в результате утечки. Так как на вязкость влияет температура окружающей среды, важно сделать минимальным диапазон между минимальным и максимальным предельным значением вязкости, чтобы сделать работу двигателя оптимальной.

Сера является природным компонентом сырой нефти. Если серу не удалить во время процесса переработки нефти, она будет загрязнять автомобильное топливо. Сера дизельного топлива определяет количество выбросов мелких твердых частиц (ТЧ) в отработавших газах из-за образования сульфатов, как в двигателе, так и позже в атмосфере. Сера может привести к коррозии и износу систем двигателя. Более того, эффективность некоторых систем очистки отработавших газов снижается при увеличении концентрации серы в топливе, в то время как другие системы полностью выходят из строя из-за отравления серой. Влияние серы на выбросы твердых частиц общепризнано и считается существенным.

Фильтры твердых частиц. Дизельные фильтры твердых частиц с непрерывной регенерацией (ДФТЧНР) и каталитические дизельные фильтры твердых частиц (КДФТЧ) представляют собой два подхода к регенерации дизельных фильтров твердых частиц (ДФТЧ). ДФТЧНР осуществляет регенерацию фильтра, непрерывно генерируя NO2 из NO, выброшенного из двигателя, на дизельном окислительном катализаторе, помещенном перед ДФТЧНР. КДФТЧ осуществляет регенерацию ДФТЧ, используя каталитическое покрытие на элементе ДФТЧ, чтобы способствовать окислению собранных ТЧ, используя кислород, имеющийся в дизельном выхлопе.

Ароматические углеводороды – это те молекулы топлива, которые содержат, по крайней мере, одно бензольное кольцо. Содержание ароматических углеводородов в дизельном топливе влияет на температуру сгорания и, следовательно, на выбросы NOx во время сгорания. Полиароматические углеводороды в топливе влияют на образование твердых частиц и выбросы полиароматических углеводородов (ПАУВ) из дизельного двигателя.

Фракционный состав. Кривая фракционного состава дизельного топлива показывает количество топлива, которое выкипит при данной температуре. Содержащиеся в топливе легкие фракции влияют на легкость запуска. Слишком большая доля тяжелых фракций приводит к закоксовыванию и повышенным выбросам сажи, дыма и твердых частиц.

Текучесть при низких температурах. Дизельное топливо может иметь высокое содержание (до 20%) парафинов, которые обладают ограниченной растворимостью в топливе и при достаточном охлаждении выделятся из раствора в виде твердого парафина. Следовательно, достаточная текучесть при низких температурах – это одна из основных характеристик дизельного топлива.  Текучесть при низких температурах обычно определяется фракционным составом горючего, углеводородным составом (содержание парафинов, нафтенов, ароматических углеводородов) и использованием топливных присадок.

 Технические требования к текучести дизельного топлива при низких температурах должны устанавливаться в соответствии с сезонными и климатическими потребностями региона, в котором используется это топливо. Парафин в автомобильных топливных системах – это потенциальный источник проблем с эксплуатацией. Следовательно, низкотемпературные свойства дизельных топлив определяются испытаниями, связанными с образованием парафина:

  • температура помутнения — температура, при которой самые тяжелые парафины начинают выпадать в осадок и образовывать кристаллы воска: топливо становится «мутным»;
  • предельная температура фильтруемости — наименьшая температура, при которой топливо может проходить через фильтр во время стандартизованного испытания на фильтрацию;
  • температура потери текучести – этот показатель используется на рынках США и Канады.

 

Вспенивание. Дизельное топливо имеет склонность к пенообразованию во время заправки топливного бака, что замедляет этот процесс и вызывает риск перелива. Антипенные присадки иногда добавляются в дизельное топливо, причем часто как компонент многофункционального пакета присадок, чтобы ускорить и обеспечить более полное наполнение баков автомобиля. Их использование также снижает вероятность пролива топлива на землю. Кремнийорганические поверхностно-активные присадки эффективны при подавлении склонности к пенообразованию дизельных топлив. Важно, чтобы выбранная антипенная присадка не создавала каких-либо проблем для долгосрочной надежности систем очистки отработавших газов.

Эфиры растительных масел (ЭРМ) все в большей степени используются как дополнительный ресурс дизельного топлива или заменитель дизельного топлива. Это обусловлено усилиями некоторых стран использовать продукцию сельского хозяйства или снизить зависимость от импорта нефтепродуктов. Существуют данные, свидетельствующие о положительном влиянии этих продуктов на экологических показатели. Однако существуют и сомнения по вопросу использования этих эфиров в дизельных топливах высокого качества.

Технические преимущества метилового эфира в основном заключаются в том, что они обеспечивают смазку топливной аппаратуры, которая ухудшается при удалении из дизельного топлива серы, и уменьшают выбросы твердых частиц с отработавшими газами. Недостатки метиловых эфиров следующие:

  • они требуют особых мер предосторожности при низких температурах во избежание избыточного роста вязкости и потери текучести. Могут потребоваться топливные присадки для устранения этих проблем;
  • так как эти эфиры гигроскопичны, особые меры предосторожности требуются для предотвращения повышенного содержания воды и последующего риска коррозии;
  • возрастает склонность к образованию отложений, поэтому настоятельно рекомендуется обработка дизельного топлива моющими присадками;
  • прокладки и композитные материалы в топливной системе подвергаются воздействию метиловых эфиров, если они не подобраны для этого топлива.

 

Учитывая технический эффект эфиров, их содержание ограничивается 5%. Применение эфиров в более высоких концентрациях требует адаптации двигателей к этому виду топлива.

Чистота топливной форсунки. Устойчивая работа двигателя зависит от качества работы топливной форсунки. В случае ее загрязнения будут иметь место повышенные шум, дым и выбросы.

Кончик топливной форсунки подвергается очень жестким воздействиям, так как он находится непосредственно в зоне сгорания, как в форкамерных двигателях, так и в двигателях прямого впрыска. Твердые продукты горения образуют отложения на кончике топливной форсунки, что значительно влияет на работу форсунки. В форкамерных двигателях продукты отложения частично блокируют бесперебойную подачу топлива при частичной нагрузке, и горение может стать более неустойчивым. Аналогично, в двигателях прямого впрыска частичная или полная закупорка одного из тонких распылительных отверстий нарушит распыление топливной струи и работу двигателя.

В случае форкамерных двигателей, закоксовывание неизбежно из-за типа используемой топливной форсунки, и при выборе форсунки необходимо учитывать это. Однако уровень закоксовывания зависит и от качества топлива. Топливные форсунки двигателей прямого впрыска изначально более устойчивы к закоксовыванию, но низкое качество топлива может, в конце концов, привести к закупорке распылительного отверстия.

Решение этой проблемы необходимо искать в использовании моющих присадок в топливе. Большие дозы этих присадок могут частично отмыть уже сильно закоксованную топливную форсунку, а меньшие дозы могут поддерживать приемлемый уровень чистоты форсунки. Многие дистрибьюторы горючего включают такие топливные присадки в товарное дизельное топливо. Чистота топливных форсунок станет еще более важной в недалеком будущем, так как системы впрыска высокого давления все в большей степени используются как в тяжелонагруженных, так и в слабонагруженных двигателях прямого впрыска. 

Смазывающая способность. Насосы дизельного топлива, не имеющие внешних систем смазки, рассчитаны на смазывающие свойства самого дизельного топлива. Процессы очистки, проводимые для удаления серы из дизельного топлива, одновременно уменьшают количество компонентов топлива, которые обеспечивают естественную смазку. Недостаточная смазывающая способность может привести к повышенным выбросам с выхлопными газами, повышенному износу топливного насоса и, в некоторых случаях, аварийным поломкам.

12 января

Двигатель ESTEC с самым высоким в мире тепловым КПД

Инженеры Toyota разработали способ применения цикла Аткинсона, используемого в тойотовских гибридах с 1997 года, для работы в двигателях обычных, не гибридных автомобилей. Цикл Аткинсона с высокой степенью сжатия — обычный способ, используемый в ДВС гибридов для повышения тепловой эффективности. Однако обратной стороной высокой степени сжатия является снижение крутящего момента, недостаток которого в гибридах компенсирует электромотор. Тепловая эффективность при малых нагрузках намного важнее для обычных ДВС, чем для ДВС, работающих в гибридных силовых установках. Похоже, что разработчикам Toyota удалось решить эту проблему.

Результатом их работы стал новый 1,3-литровый рядный четырехцилиндровый бензиновый двигатель ESTEC (Economy with Superior Thermal Efficient Combustion). На русский язык это определение можно перевести как «Экономия с высокоэффективным сгоранием». По заводской классификации мотор получил обозначение 1NR-FKE. Он развивает мощность 99 л.с. — это на 4 л.с. больше, чем мощность двигателя 1NR-FE, используемого в тойотовских автомобилях А и В-сегмента, таких как Yaris, iQ и др. Термический КПД ESTEC достигает 38% — это столько же, как и у ДВС, используемых в гибридах. Кроме того, при малых нагрузках ESTEC имеет улучшенную на 11% топливную экономичность.

Термический КПД современных моторов находится в пределах 36%, в то время как у ДВС, используемых в гибридах, он превышает 38%. Для достижения такого показателя в гибридных ДВС, кроме цикла Аткинсона, применяется охлаждаемая система EGR, электрический насос ОЖ и технологии низкого трения.

В будущем такие же решения будут использоваться и в обычных ДВС, а термический КПД обоих типов двигателей превысит 40%. Считается также, что улучшение тепловой эффективности позволит преодолеть слабость атмосферных бензиновых ДВС при малых нагрузках. Превышение 40% уровня КПД будет достигаться, в основном, применением охлаждаемых EGR и развитием технологий сжигания бедных смесей. В дополнение к этим основным направлениям рассматриваются также технологии снижения трения и улучшение систем подъема клапанов.

Базовые компоненты ESTEC

Основными конструктивными особенностями ESTEC являются цикл Аткинсона, геометрическая степень сжатия 13,5:1 и система EGR с жидкостным охлаждением (обычный 1NR-FE имеет степень сжатия 11,5:1 и внутреннюю рециркуляцию выхлопных газов). Система бесступенчатого регулирования фаз VVT-iE с электроприводом является ключевым элементом в реализации цикла Аткинсона. Она позволяет быстро и с высокой точностью регулировать подъем впускных клапанов и избежать затруднений, возникающих из-за разницы температуры и давления масла при холодном пуске и на прогретом моторе.

В системе рециркуляции выхлопных газов используется эффективный охладитель и быстродействующий клапан. Кроме того, впускной трубопровод, охладитель и клапан непосредственно соединены между собой для уменьшения образования конденсата от охладителя.

Оптимизированная форма впускных каналов обеспечивает быстрое наполнение цилиндров, а создаваемое завихрение способствует улучшенному сгоранию смеси. Чтобы удовлетворить требованиям, как к производительности, так и к расходу топлива, выпускной коллектор выполнен по схеме 4-2-1. Это позволяет уменьшить количество остаточных газов в цилиндрах двигателя.

Восстановление производительности

Увеличение степени сжатия до 13,5:1 снизило крутящий момент со 104 Нм до 96 Нм. Чтобы восполнить эту потерю, Toyota применила выпускной коллектор измененной формы, уменьшающий количество остаточных газов и температуру в цилиндре; новую водяную рубашку, поддерживающую оптимальную температуру поверхности цилиндров; оптимизацию времени впрыска. Комбинация этих мер (из которых главную роль играет измененный выпускной коллектор) позволила повысить крутящий момент до 105 Нм.

При малых нагрузках из-за работы охлаждаемой EGR происходят чрезмерные колебания крутящего момента. Для устранения этого недостатка используются система регулирования выпускных клапанов (Exhaust VVT) и внутренняя рециркуляция выхлопных газов. При средних и больших нагрузках работа Exhaust VVT приостанавливается, а шаг клапана системы EGR увеличивается.

Охлаждение является эффективной мерой против снижения крутящего момента у двигателей с высокой степенью сжатия. Однако одновременно это приводит к увеличению расхода топлива из-за повышения трения и потерь на охлаждение. В обычных моторах верхняя часть цилиндра нагревается больше, чем нижняя. Из-за неравномерного нагрева увеличивается трение в цилиндре. В ESTEC новая водяная рубашка со специальной прокладкой выравнивает температуру в разных частях поверхности цилиндра, снижая потери на трение и возможность возникновения детонации.

10 января

Водородные технологии Toyota

В конце ХХ века многие поверили в то, что в скором времени на смену нефти придут топливные элементы. Не осталась в стороне от всеобщего увлечения водородными технологиями и Toyota. Наряду с гибридом Prius, японцы в том же 1997 году создали и первый прототип своего «водородомобиля» Toyota FCHV-1. Основой для его создания послужила модель Highlander. В течение последующих пяти лет (в 1999 и в 2001 годах) были созданы усовершенствованные варианты FCHV-2 и FCHV-3, пока в 2002 году не появился первый серийный вариант FCHV-4. Однако полномасштабного коммерческого выпуска японцы не планировали. Ограниченная серия из 20 автомобилей была отдана для тестирования в различные университеты, корпорации и правительственные учреждения в США и Японии.

Силовая установка Toyota FCHV состояла из блока топливных элементов мощностью 90 кВт, которая питала 90-киловаттный электродвигатель, развивавший 260 Нм крутящего момента. Никель-металлгидридная батарея служила дополнительным источником энергии для подпитки электромотора во время ускорений и для движения на малых скоростях. Ее емкости хватало на 50 километров пробега. Принцип работы силовой установки очень похож на работу гибридной установки Hybrid Synergy Drive (HSD), применяемой на Toyota Prius. Главное отличие состояло в том, что вместо ДВС использовался блок топливных элементов. А вот механизм совместной или раздельной работы батареи и топливных элементов, система рекуперативного торможения остались прежними. Toyota FCHV, имея снаряженную массу почти 1900 кг, разгонялась до 155 км/ч, а запаса водорода хватало на 330 км пробега.

В 2008 году появилась новая версия «водородомобиля» под названием Toyota FCHV ADV. Окончание ADV означало «Advanced» — «Улучшенный». В чем же заключались улучшения? Прежде всего, в существенной доработке блока топливных элементов. Изменения, внесенные в его конструкцию, увеличили энергоотдачу на 25% и, что самое главное, позволили FCHV ADV надежно работать при температурах до -30°С. Новые баки позволили хранить водород при давлении, вдвое превышающем прежнее, а, значит, вмещать большее его количество. Кроме того, заметно снижено энергопотребление вспомогательных систем и увеличена эффективность системы рекуперации энергии торможения. В результате всех этих улучшений Toyota FCHV ADV способен преодолеть без дозаправки 800 км! Остальные же «автомобильные» характеристики остались прежними.

В июне 2008 года водородомобиль получил сертификат серийного автомобиля. В январе 2010 года Toyota объявила о начале трехлетних демонстрационных испытаний 100 экземпляров FCHV-ADV на дорогах США. Как и прежде, автомобили будут работать в университетах и госучреждениях, доказывая преимущества этого вида «зеленого» транспорта и стимулируя развитие инфраструктуры для «водородомобилей». А полномасштабное серийное производство японцы обещают начать не ранее 2015 года. А к этому времени, как считают специалисты Toyota, и более точно определится вектор развития "зеленого" транспорта — то ли это будут автомобили на топливных элементах, то ли "чистые" электромобили.

8 января

Колесо с мотором

Идея применения электромотора, интегрированного прямо в колесо, давно привлекает разработчиков гибридов и электромобилей. Электрические мотор-колеса наделяют машину невиданными возможностями и преимуществами.

Премущества мотор-колеса

Во-первых, отпадает необходимость в трансмиссии – сцеплении, коробке передач, приводных валах и дифференциалах. Это существенно снижает вес, а снижение веса – это дополнительная экономия топлива и снижение вредных выбросов. Кроме того, уменьшается стоимость автомобиля и снижаются затраты на его обслуживание и ремонт. Конструкция существенно упрощается, а, как известно, чем проще – тем надежнее. Отсутствие узлов трансмиссии освобождает больше полезного объема для размещения пассажиров и груза и позволяет конструкторам и дизайнерам шире проявить фантазию.

Во-вторых, машина получает отличную динамику: компактные и легкие электродвигатели развивают максимальный крутящий момент сразу же, как только на них подается питание. Значения крутящего момента могут достигать 700 Н*м.

В-третьих, управляемое мотор-колесо делает автомобиль чрезвычайно маневренным – ведь все колеса могут вращаться с разной скоростью и даже в разных направлениях. Машина способна разворачиваться на 360 градусов, парковаться в самых сложных условиях и мгновенно адаптироваться к качеству дорожного покрытия.

В-четвертых, значительно упрощается конструкция важнейшей для электромобилей системы регенерации энергии торможения.

В-пятых, ничто не сможет сравниться с мотор-колесом в обеспечении активной безопасности движения – любые алгоритмы систем ABS, ESP, Traction Control, Brake Assist и других легко программируются в блоке управления и могут воздействовать на каждое колесо индивидуально.

Недостатки мотор-колеса

Но на пути массового внедрения мотор-колес стоит и несколько нерешенных пока проблем. Главная из них – масса механизмов, помещаемых внутрь обода. Высокооборотные электродвигатели нуждаются в понижающем редукторе. Он должен быть компактным и герметичным. Редуктор добавляет несколько килограммов к общей массе колеса. Большая неподрессоренная масса, или, говоря проще, тяжелые колеса, резко снижают комфорт и управляемость, повышают износ подвески, передают на кузов больше вибраций. Оптимальный вес колеса для среднеразмерного автомобиля составляет от 10 до 30 кг без учета шины. Вписаться в эти жесткие рамки мотор-колесу очень непросто.

Практические разработки Michelin

Французская компания Michelin, всемирно известная не только своими разработками в области шин, но и исследованиями по созданию экономичного и экологически чистого транспорта, уже пятнадцать лет занимается разработкой инновационных мотор-колес для электромобилей. Мотор-колеса «Michelin active wheel» совмещают в одном узле тяговый электродвигатель, элементы управления и подвески и тормозной системы. Они могут применяться как в переднеприводном, так и в заднеприводном варианте, в зависимости от условий эксплуатации. И все это при общем весе 35 килограмм, что не превышает вес обычного колеса легкового автомобиля! Ключевое место в этой технологии моторизированного колеса занимает миниатюрный электродвигатель. Разработанный Michelin, на сегодняшний день он является самым компактным на рынке. Беспрецедентное соотношение его мощности к массе предоставляет уникальную возможность для уменьшения неподрессоренной массы ходовой части автомобиля. Подобные попытки предпринимались и другими производителями, например Mitsubishi и Siemens, но они так и не дошли до серийного производства.