ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ДВС

Вадим Кутенев, зам. ген. директора ГНЦ НАМИ по научной работе, д.т.н

Двигатель внутреннего сгорания был изобретен более ста лет назад. И на протяжении всего периода существования он непрерывно совершенствовался. За последние 10-20 лет для ведущих мировых производителей и потребителей автотранспортных средств одной из актуальнейших стала проблема снижения расхода топлива и выброса вредных веществ. Постоянное ужесточение экологических требований в связи с глобальным загрязнением планеты и намечающимся "парниковым эффектом", а также обострение общемирового энергетического кризиса активизировали в последние годы ХХ столетия поиск новых решений.

К настоящему времени успехи в развитии двигателей внутреннего сгорания (ДВС) были достигнуты в упорной конкурентной борьбе с другими видами энергоустановок. В 70-е годы прошлого века ведущие зарубежные фирмы, особенно американские, вели интенсивные исследования по созданию автомобильных газотурбинных двигателей, двигателей Стирлинга и силовых установок других конструкций, в том числе и на топливных элементах. Однако, планировавшееся их внедрение в производство, указанное внизу таблицы, так и не было осуществлено ввиду экономической нецелесообразности.

У поршневых ДВС, наиболее широко используемого типа силовых установок, есть ряд преимуществ перед другими типами силовых установок. К настоящему времени это, прежде всего, топливная экономичность и возможность удовлетворения международным требованиям по экологии. Отлаженность технологии выпуска ДВС обеспечила их низкую удельную стоимость (затраты/кВт энергии). Совершенствование рабочего процесса привело к высокой объемной (массовой) энергоемкости (кВт/кг, кВт/м3). Изыскания многих поколений ученых и инженеров открыли, что у данной конструкции есть неиспользованные резервы для дальнейшего развития и совершенствования конструкции.

Например, существенный рост к.п.д. бензиновых двигателей и улучшение экономичности было достигнуто благодаря: переходу на впрыск топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр; использованию наддува и переходу на четырехклапанное газораспределение; повышению степени сжатия до 10,5…13,0; расширению пределов эффективного обеднения смеси путем повышения турбулентности заряда в цилиндре.

Все перечисленные эколого-экономические показатели поршневых ДВС позволяют рассматривать их (на ближайшую перспективу) как основной вид источников энергии для автотранспортных средств.

ДВС обладают значительными резервами дальнейшего повышения характеристик. В частности, технические данные ДВС могут быть улучшены путем совершенствования электронного управления системами двигателей. Так, в последние годы появились в серийном производстве системы с управляемыми фазами газораспределения, и многие фирмы выпускают двигатели с достаточно эффективными механизмами их регулирования (Honda, Toyota, BMW и др.). Наибольшими функциональными возможностями воздействия на показатели двигателей обладает система с электромагнитным приводом клапанов и электронным управлением.

За прошедшие 30 лет с начала топливного кризиса 1976-1978 годов удельный расход топлива был снижен почти в два раза.
Следует отметить, что в настоящее время другой удельный показатель расхода топлива в литрах на 100 км, отнесенный к одному литру рабочего объема двигателя, составляет для бензиновых двигателей с искровым зажиганием 4,5; а для двигателей с воспламенением от сжатия - 3,0.

Однако до настоящего времени не освоены наиболее эффективные методы повышения к.п.д. как существующих ДВС, так и других конструкций ДВС, поскольку не были созданы работоспособные конструкции регулирования степени сжатия и рабочего объема. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что путем оптимизации степени сжатия и рабочего объема ДВС может быть улучшена эксплуатационная топливная экономичность и обеспечено снижение выброса парниковых газов (СО2) в условиях городского движения от 20 до 40 %!

Экспериментальные данные свидетельствуют о снижении расхода топлива, а также уменьшении выбросов СО2 при изменении степени сжатия от 7 до 14 единиц на режиме холостого хода, который составляет более 30 % в Европейском ездовом цикле, характерном для условий движения транспорта в современных крупных городах.

Практическая реализация идеи, связанной с регулированием степени сжатия и рабочего объема, представляет собой чрезвычайно сложную научно-техническую задачу. В отечественной практике попытки проведения исследовательских работ по регулированию рабочего объема были предприняты в 1984-1985 годах на автополигоне НАМИ. Были созданы два опытных образца: транспортное средство на базе автомобиля "Волга" ГАЗ-24 с модульной силовой установкой (МСУ), состоящей из двух двигателей ВАЗ-2101, последовательно соединенных между собой сцеплением; транспортное средство на базе автомобиля ЗИЛ-130 с двигателем рабочим объемом 6 и 3 литров.

Эти эксперименты были проведены с целью выявления реальных возможностей снижения расхода топлива путем регулирования рабочего объема. Результаты натурных испытаний показали, что может быть достигнуто уменьшение расхода топлива при выполнении Европейского ездового цикла на 26 % по сравнению с серийным автомобилем "Волга" ГАЗ-24 (11,1 л/(100 км) против 15 л/(100 км)). Кроме того, отмечалось значительное снижение расхода топлива автомобиля ЗИЛ-130 с двигателем объемом 3 л по сравнению с 6-литровым образцом (на скорости движения 25 км/ч на 40 %).

В 1988г. в НАМИ в развитие работ, выполненных ранее на автополигоне института, была создана модульная силовая установка (МСУ) на базе двух роторно-поршневых двигателей ВАЗ-311. Эта МСУ была установлена на автомобиль "Волга" и прошла цикл стендовых и эксплуатационных испытаний, которые также подтверждали снижение расхода топлива на 30…32 % в Европейском ездовом цикле.

Итак, создание двигателя с регулируемым рабочим объемом и степенью сжатия реально может обеспечить снижение расхода топлива в городских условиях движения на 28…32 %. Следует обратить внимание на то, что такое же снижение расхода топлива, а значит и выброса СО2 (парниковых газов) рекламируют производители комбинированных энергетических установок (КЭУ).

Нерешенная конструкторами ДВС проблема резкого снижения расхода топлива и СО2 автомобилями массового производства привлекла внимание конструкторов других отраслей промышленности (в частности, электротехнической). Они обратились к созданию сначала электромобилей, а затем и автомобилей с гибридными силовыми энергоустановками (см. "Двигатель" № 1 и 2 от 2005 г.).

Под гибридной или комбинированной силовой энергоустановкой (КЭУ) подразумевают комплексную силовую установку, состоящую из поршневого ДВС, электрогенератора, приводных электродвигателей, накопителя электроэнергии (аккумулятора) и системы микропроцессорного управления и оптимального регулирования.

Производство первых гибридных автомобилей с 1998 г. освоила фирма "Тойота". В настоящее время эксплуатируется около 120 тысяч автомобилей "Тойота Приус" в более чем двадцати странах мира. К производству автомобилей с КЭУ приступили или приступают в ближайшие годы японские фирмы "Хонда", "Нисан", "Мазда", а также американские "Дженерал Моторс", "Форд", и корейские "Хюндай" и "КИА".

Возможности автомобилей с КЭУ, производство которых планируют начать в ближайшее время, можно оценить, анализируя фирменные рекламные и эксплутационные данные по топливной экономичности. Так, фирма "Тойота" на минивэне Estima повысила его экономичность на 180 % и достигла расхода топлива 3,48 л/(100 км), а на новой модели автомобиле "Приус" достигла расхода топлива 2,8 л/(100 км). Фирма "Хонда" на автомобиле Insight в городских условиях обеспечила расход на уровне 3,8 л/(100 км). Фирма "Дженерал Моторс" объявила о 30-процентном снижении расхода топлива на своем автомобиле с КЭУ.

Однако автомобили с КЭУ имеют дополнительные системы, которые увеличивают массу силовой установки вдвое, в то время как на двигателях с регулируемым рабочим объемом увеличение массы не превышает 10 %, а в случае использования блочно-модульной конструкции ДВС превышение составит не более 30 %; при этом сохраняется возможность использования комплектующих изделий массового основного производства. На изготовление дополнительных систем КЭУ, которые являются весьма трудоемкими, требуются цветные металлы (электродвигатели, электрогенератор, накопители энергии (аккумуляторы) и др.), что несопоставимо с затратами на изготовление блочно-модульного ДВС.

Проблемным вопросом как для МСУ, так и для КЭУ остается необходимость оптимизации характеристик ДВС на различных режимах и при различных частотах вращения вала в зависимости от требуемой для автомобиля мощности, то есть для различных условий работы ДВС в городских условиях и на магистралях. Изучение влияния формы универсальной характеристики двигателя на топливно-экономические и экологические показатели автомобиля ведется с 60 - 70 годов минувшего столетия. В результате анализа был предложен метод обработки площади универсальной характеристики с постоянными значениями изучаемого параметра ДВС (ge, СО, СН, NОх и др.) в криволинейные зависимости, что позволило объективно сравнивать любые по литражу ДВС: как бензиновые, так и дизельные, а также работающие на газовом топливе.
При движении автомобиля в городских условиях на малых скоростях от 10 до 60 км/ч ДВС работает в диапазоне малых нагрузок и малых частот вращения вала. Реальные режимы работы (ДВС) находятся далеко от зоны минимальных удельных расходов топлива. Исходя из вышеизложенного, необходимо осуществить изменение формы универсальной характеристики с целью смещения зоны минимальных удельных расходов топлива из области больших частот вращения вала и нагрузок в зону малых оборотов и средних нагрузок. Осуществление этого мероприятия весьма сложно и малоэффективно из-за известных на текущий момент недостатков методов совершенствования рабочих процессов ДВС, связанных с ухудшением показателей экономичности при больших частотах вращения вала и нагрузках.

Таким образом можно сделать вывод о том, что для получения наибольшего эффекта по снижению расхода топлива и СО2 (парникового газа), а также выброса вредных веществ, необходимо уменьшение литража ДВС (не менее чем двое), с тем, чтобы соединить режимы работы в условиях города автомобиля с зоной наименьших удельных расходов топлива.

В настоящее время в мировой практике двигателестроения рассматриваются (исследуются и активно патентуются) два направления регулирования рабочего объема (Vh) ДВС. Наибольший эффект снижения расхода топлива в условиях городского движения можно получить в случае использования силовой установки в блочно-модульном варианте, когда два двигателя малого литража (например, 0,9 л + 0,9 л) соединены через муфту сцепления с электронным управлением. Один из двигателей работает постоянно, а второй может включаться или выключаться системой управления при необходимости. Для получения максимальной мощности или максимальной скорости работают два двигателя. В условиях городского движения на малых (30…40 км/ч) и средних скоростях (60…80 км/ч) работает один двигатель, что позволит снизить расход топлива на 25…30 % благодаря повышению индикаторного и механического к.п.д. Если же этот основной двигатель будет оснащен устройством регулирования рабочего объема от 0,9 до 0,6 л (путем изменения хода поршня), тогда эффект снижения расхода топлива устойчиво может быть достигнут на уровне 30…35 %.

Выполненные расчеты по методике НАМИ "Определение расхода топлива и выбросов вредных веществ" на режимах движения Правил № 83 ЕЭК ООН показали возможность значительного совершенствования двигателей при уменьшении расхода топлива и снижении выбросов СО2. При совместном использовании совершенного двигателя и КЭУ можно прогнозировать снижение расхода топлива и уменьшение выброса СО2 относительно двигателя на 50…60 %.

Все вроде ясно, вопрос только один: ну почему наши производители автомобилей и новые владельцы российских предприятий не используют эти возможности?