Бъдещето и дизайна на двигателя с вътрешно горене

Предполага се, че двигателите с вътрешно горене ще останат основната движеща сила на автомобилите още дълго време.  Тук ще разгледаме, високо ефективните, енергоспестяващи и някой от новите технологии за автомобилния двигател с вътрешно горене (IC),  включително усъвършенствано горене, турбокомпресори и някой подобрения, като многосистемно и многопроменливо управление, оползотворяване на отпадната топлина, интелигентно спиране на цилиндъра и други. Новите технологии за двигателите с вътрешно горене са с голям потенциал, и се появяват в отговор на натиска на замърсяването на околната среда, глобалното затопляне и енергийната криза.

Бъдещето на дизайна на двигателя с вътрешно горене

Фактори, които ще влияят на начина, по който инженерите ще подхождат към дизайна на двигателите с вътрешно горене през следващото десетилетие:

1. Ограничения на емисиите на CO₂
2. Ефективност на двигателя за намаляване на тези емисии
3. Дизел срещу традиционния бензин
4. EV срещу ICE превозни средства

Как да увеличим ефективността на емисиите на IC двигателя?

Службите за енергийна ефективност и възобновяема енергия съобщават, че производителите са намалили емисиите на замърсители с повече от 99% за 30-годишен период. Креативните умове постигнаха това , като запазиха или увеличиха икономията на гориво. В допълнение към бензина и дизела, производителите изучават други начини за увеличаване на икономията на гориво:

• Използване на биодизел
• Използване на други алтернативни или възобновяеми горива
• Комбиниране на IC двигатели с хибридни електрически задвижвания

 Дизелови двигатели срещу традиционните бензинови двигатели

Когато европейците преминаха от дизелови автомобили към бензинови автомобили, имаше увеличение на емисиите на въглероден диоксид което беше свързано с този преход. В неочакван обрат, някои от днешните стратегии за автомобили се основават на дизеловите двигатели. Докладите сочат,че много големи дизелови камиони всъщност създават по-малко емисии на CO2 от някои по-малки превозни средства, задвижвани с бензин. Чрез подобрения в технологиите започнаха да се произвеждат дизелови двигатели, които могат да захранват по-малки превозни средства и да осигуряват:

• По-добър пробег
• По-ниски нива на въглеродни емисии
• По-голям въртящ момент
• По-дълготраен двигател 
• Развития и иновации в автомобилната индустрия
• Предимства на ICE технологията в автомобилните приложения. ICE е претърпял широко развитие в продължение на един век и все още е водещата технология сред всички конкурентни технологии по отношение на енергийна плътност, термична ефективност, гъвкавост на горивото, пазарен дял и техники за обработка. ICE имат много висока енергийна плътност. При леките автомобили най-високата мощност на литър, постигната досега, е 150 kW/L. ICE имат високи нива на топлинна ефективност. Топлинната ефективност на бензиновия двигател може да достигне 45 %, което е сравнимо с ефективността на свръх модерните въглищни централи и интегрираните електроцентрали с комбиниран цикъл на газификация (IGCC). От друга страна, дизеловите двигатели имат термична ефективност, която достига до 50%. ICE могат да работят с различни видове горива, включително изкопаеми горива, природен газ, биогорива и възобновяеми енергийни източници като етанол.

  От гледна точка на ICE технологиите, ICE все още имат значителен потенциал за подобрение по отношение на контрола на емисиите на CO2 и замърсители.

  (1) По-висока топлинна ефективност на ICE.

• Топлинната ефективност е основният фокус на много големи изследователски центрове на ICE по целия свят. Краткосрочната цел на тези изследователски центрове е постигане на ефективна топлинна ефективност от 60 %, докато в дългосрочен план се надяват да постигнат термична ефективност от 85 %

  (2) Електронно управление на ICE.

• Когато беше въведено електронното управление в ICE; това доведе до разработването на технологии като електронни водни помпи, електронно управлявани инжектори, електрически турбокомпресори и рециклиране на отработени газове (EGR). Тези разработки допълнително усъвършенстваха контрола на ICE и значително повишиха тяхната ефективност.

  (3) Все по-строгите разпоредби относно потреблението на енергия и емисиите.

• Много страни по света са формулирали регулации за значително намаляване на разхода на гориво и емисиите на CO2. Освен това в момента се подготвят реални тестове за емисии при шофиране които ще се внедрят в леките превозни средства. Тези мерки са много благоприятни за намаляване на вредните емисии.

  (4) Непрекъснато развитие на технологиите за контрол на емисиите за превозни средства.

• Понастоящем емисиите на вредни вещества от ICE вече се доближават до нула, а емисиите на основни замърсители са намалени с приблизително 90%.

  Освен това, поради обострянето на енергийните и екологичните проблеми в глобален мащаб, съществува спешна необходимост от намаляване на потреблението на енергия от ICE и емисиите на CO2 от ICE за автомобилната индустрия.

  Графика показваща намаляването на емисиите на CO ₂ в основните страни и региони по света.

   

  

• Високоефективни и чисти ICE технологии

   Появата на технологии за горене от следващо поколение

  През 90-те години хората смятаха, че съществува долна граница за емисиите на вредни вещества като NOx и сажди от конвенционалните дизелови двигатели; например смяташе се, че минималната граница за емисии на NOx е 2,5 g/kW·h. Въпреки това, през последните 20 години бяха направени огромни разработки за повишаване на топлинната ефективност и намаляване на емисиите от ICE по целия свят, а границата от 2,5 g/kW·h отдавна е надмината. Някои от най-модерните технологии за горене на ICE са компресирано запалване на бензин, възпламеняване с контролирана реактивност (RCCI), горене с високо предварително смесен заряд, хомогенно запалване с компресиране на заряд (HCCI) и запалване с директно компресиране на бензин. Всички тези технологии показват изключително високи нива на топлинна ефективност.

  Турбокомпресори и технологии за миниатюризация

  Миниатюризацията на турбокомпресорите в момента е основна посока за разработване на автомобилни ICE. Според Института за транспортни изследвания на Университета на Мичиган (UMTRI) в САЩ, 50 % от всички леки автомобили ще използват турбокомпресори до 2025 г. Почти всички нови автомобили в Китай вече използват миниатюрни турбокомпресори.

  Усъвършенстваните технологии за турбокомпресор с високо налягане се развиват с бързи темпове през последните години; най-модерните технологии за турбокомпресори понастоящем са електрически задвижвани компресори (eBooster), турбокомпресори с променлива геометрия (VGT) и регулирани системи с двустепенен турбокомпресор (RTST). По-специално eBooster може значително да подобри характеристиките на реакция на всмукателните системи и да повиши ефективността при високо натоварване на ICE. Въпреки това, eBoosters са скъпи и електронните му устройства не понасят много добре високи температури. VGT са често използвана технология с високи спецификации и малък работен обем.. Тази технология на турбокомпресора подобрява характеристиките на въртящия момент при ниски и високи скорости и значително подобрява плътността на мощността на ICE; освен това, тази технология също така насърчава миниатюризацията на ICE. RTST системите се предлагат в две конфигурации: турбокомпресор за отпадъчни газове (WGT) + турбо системи с фиксирана геометрия (FGT) или системи VGT + FGT. Тези системи обикновено се използват в ICE с голямо изместване; например в BMW 740MY2010 3.0 L ICE използва система за турбокомпресор VGT + FGT, която намалява разхода на гориво на двигателя с приблизително 10 % и позволява на двигателя да съответства на производителността на двигателите V8 и V10.

   

  

• Интелигентни технологии за управление за многопроменливи, многосистемни ICE

  Бързото развитие на многосистемни, многопараметрични/променливи техники за управление през последните години ускори „интелигентността“ на ICE. Подсистемите на двигателя включват множество контролируеми параметри, напр. системата на турбокомпресора (размер на отвора на VGT лопатките и изпускателния клапан), системата за впръскване на гориво (предварително впръскване, първично впръскване, времето за впръскване на горивото и количеството впръскано гориво)., EGR системата (размерът на отварянето на клапана и времето за затваряне на клапана) и връзката на дросела (повдигане на клапана и синхронизация). Променливите интелигентни технологии, използвани в ICE, включват променлив турбокомпресор, променлив EGR клапан, променливо време на повдигане на клапаните, променливо директно впръскване както и двойното впръскване, и технологията с променливо съотношение на компресия.

  Опростената схема на хибридната система за турбокомпресор (HyBoost), проектирана от Ford за неговия 2.0 L атмосферен двигател. Тази система представлява комбинация между електрически компресори и конвенционални турбокомпресори за отработени газове. Електрическият компресор адаптивно регулира оборотите на турбината си според работните условия на двигателя, за да контролира точно процеса на зареждане на всмукателния въздух, а системата HyBoost едновременно рециклира част от енергията, използвана от двигателя при високи натоварвания. Това значително подобрява въртящия момент при ниска скорост и разхода на гориво, а рентабилността на тази система е сравнима с тази на напълно хибридните двигатели. Подобряването на бордовия изчислителен капацитет е необходимост за подобряване на технологиите за управление на превозното средство. Това включва решаването на проблеми с управлението на ICE и изчислителни проблеми, и по-важното, подобряването на свързаните схеми за управление на системите на двигателя и превозното средство.

  Други модерни ICE технологии

  Технологиите, които биха могли да се използват за по-нататъшно подобряване на топлинната ефективност, разхода на гориво и производителността на емисиите на ICE (в допълнение към гореспоменатите технологии) включват технология за интелигентно деактивиране на цилиндъра, технология за разделен цикъл, технология за впръскване на вода и увеличаване до октаново число на бензинови двигатели.

   Интелигентна технология за деактивиране на цилиндъра

  Интелигентната технология за деактивиране на цилиндъра е важна за намаляване на емисиите от и консумацията на енергия на ICE. Интелигентната технология за деактивиране на цилиндъра вече се използва в автомобилите от висок клас, произведени от Robert Bosch GmbH и Bavarian Motor Works (BMW).

   Технология на разделен цикъл

  При ICE с разделен цикъл, сгъстен въздух се прехвърля между множество цилиндри през кръстосан канал. Преносът на сгъстен въздух позволява ходовете на всеки цикъл на ICE да бъдат разделени между множество цилиндъра. Тъй като ходовете на компресия и мощността се извършват от различни цилиндри, топлинното напрежение върху компресионния цилиндър се облекчава, което впоследствие увеличава степента на компресия. Освен това, обемът на цилиндрите може да бъде настроен така, че коефициентът на разширение да надвишава степента на компресия, като по този начин позволява пълен цикъл на разширение. Въпреки че Scuderi, META и General Motors (GM) са изследвали тази технология в различна степен, тази технология все още не е внедрена в индустриален мащаб.

  Технологията за впръскване на вода намалява детонациите на двигателя и увеличава въртящия момент на бензиновите двигатели до нивото на дизелови двигатели, които имат същото количество емисии. Освен това, интегрирането на трансмисионната кутия значително намалява общия разход на гориво на автомобила. Ударните свойства на бензиновите двигатели с двойно турбо и директно впръскване с искрово запалване също са значително подобрени чрез използването на технология за впръскване на вода. На скоро беше установено, че използването на съотношение вода-гориво от 35 % в експериментален двигател, разработен от Bosch, намалява разхода на гориво с приблизително 13 %.

  Увеличаване на октановото число на бензиновите двигатели

  Увеличаването на октановото число на бензиновите двигатели е важно за повишаване на топлинната ефективност на ICE. Например, топлинната ефективност на ICE може да се увеличи с 5 % чрез повишаване на октановото му число до 95–100.

   Заключение

   

  ICE ще продължи да бъде от решаващо значение за захранването на автомобилите за дълъг период от време. Много чисти, високоефективни и енергоспестяващи ICE технологии се появиха поради натиска на замърсяването на околната среда, глобалното затопляне и предстоящата енергийна криза. 

   

  Подобряване на ефективността на всеки оперативен етап на ICE

  Подобренията в разхода на гориво и термичната ефективност се определят от седем фактора: коефициент на сгъстяване, коефициент на специфична топлина, период на горене, време на горене, топлопренос на стената, разлики в налягането в смукателния ход и механично триене. Загубите на двигателя по време на работа включват дискретни загуби при запалване, загуби на отработени газове, загуби при охлаждане, загуби при изпомпване и загуби от триене. Турбокомпресорът, оптимизирането на степента на сгъстяване и оползотворяването на отпадната топлина минимизират загубите при запалване и загубите на отработени газове, докато технологиите за ниско разсейване на топлината ще намалят загубите при охлаждане. Помпите с променлива честота ще намалят загубите при изпомпване, а загубите от триене могат да бъдат намалени с помощта на технологии за смазване. Въпреки това, контролът на общите разходи все още остава проблем.

  Превозните средства с нова енергия (NEV) не могат да заменят превозните средства с ICE в краткосрочен план

  Новите енергийни превозни средства (NEV) притежават многобройни предимства пред превозните средства с ICE по отношение на CO ₂емисии и нулев контрол на замърсяването. Все още обаче предстои да бъде определен график за развитие за нови енергийни източници като слънчева енергия, вятърна енергия и енергия от възобновяема биомаса. Понастоящем технологиите за батерии, необходими за NEV, все още не са напълно узрели, а процесите, свързани с производството на материали за батерии, са свързани с редица екологични проблеми. Следователно, редица социални и технически бариери трябва да бъдат преодолени, преди NEV да могат да се използват широко. Следователно превозните средства ICE ще продължат да доминират в автомобилната индустрия и пазара поне в близко бъдеще.