відтворення іскри
Майбутнє здається похмурим для двигуна внутрішнього згоряння, надійної робочої коні сучасної мобільності. У минулому році були представлені оголошення з кількох великих країн - Франції, Німеччини, Великобританії та Індії, в яких йдеться про намір повністю заборонити автомобілі на викопному паливі.
Певною мірою ці оголошення можна відкинути як бажані, оскільки цілі встановлені на 2040 рік, що набагато перевищує очікувану тривалість життя автомобілів на дорозі сьогодні. Проте, Норвегія, країна-експортер нафти, яка є лідером в електромобілях, має крайній термін в 2025 році для припинення випуску автомобілів, які виробляють викиди.
У вересні Китай, де близько 40 відсотків усіх автомобілів в світі продано, зважили. На крок попереду попередніх зусиль, спрямованих на те, щоб підштовхувати автокомпанії до виробництва більшої кількості електромобілів, в той же час суворі обмеження на реєстрацію автомобілів в переповнених і сильно забруднений Пекіном і Шанхаєм, віце-міністр промисловості та інформаційних технологій Китаю заявив, що уряд працює з іншими регулюючими органами відповідно до графіка завершення виробництва і продажу автомобілів з пальником.
Навіть в Сполучених Штатах, які не проявили апетиту до радикальних дій на федеральному рівні, вісім штатів поставили цілі для автомобілів з електроприводом, а агресивні викиди і стандарти пробігу сприяли розвитку більш чистих і більш ефективних автомобілів. У багатьох випадках це означає, що автомобілі з гібридними електропоїздами, а не повністю електричними акумуляторами. Але Tesla Motors, виробник електромобілів, має ринкову капіталізацію в 61 мільярд доларів, що більше, ніж такі автовиробники, як Ford, Honda і General Motors.
Хоча уряду і фінансові ринки можуть бути закохані в електромобілі на батарейках, поки не розраховуйте двигун внутрішнього згоряння. Тривалі уточнення роблять ICE менше, сильніше і менш забруднюють навколишнє середовище. Технологія ще не готова втратити своє місце в електромобілях і вантажівках.
«З точки зору маркетингу, електрифікація і двигуни на батарейках є абсолютним улюбленцем», - сказав Бретт Сміт, помічник директора з виробництва, техніки і технологій в промисловому центрі Automotive Research в Анн-Арбор, штат Мічиган. «Реальність що це довгострокова тенденція, яка може зайняти десятиліття, щоб потрапити сюди. І через тиск регулювання, була неймовірна кількість удосконалень для газових двигунів ».
Для багатьох нефахівців випадок для електромобілів простий: мова йде про двоокису вуглецю та інших викидах. Але перевага EVs у вихлопній трубі не так сильно, як вважають миряни. По-перше, він не враховує викиди від електростанцій, які забезпечують електроенергію для EV. У деяких регіонах, які залежать від потужності вугілля для електрогенерації, звичайний автомобіль, який отримує всього 40 миль на галон, буде виробляти менше викидів, ніж EV. Крім того, екологічний збиток по ланцюжку поставок для літій-іонних батарей може бути значним. Дослідження, проведене міжнародною консалтинговою фірмою Arthur D. Little, в 2016 році, порівнювало електромобілі з акумуляторами від автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння: «Кінцева екологічна і економічна реальність електромобілів набагато складніше, ніж їх обіцянку».
Дослідження показало, що BEVs володіють економічними перевагами. Вартість електроенергії, пов'язана з експлуатацією BEV на відстані однієї милі, значно нижче, ніж вартість бензину на тій же відстані для звичайного автомобіля. Вартість підтримки BEV також менше, а технологія батареї розвинулася до тих пір, поки ціна на кіловат-годину літієво-іонних акумуляторних батарей не знизилася з 1 126 доларів в 2010 році до всього лише 300 доларів в 2015 році, згідно зі звітом.
Але втручаються інші економічні чинники. Без винятку, BEVs в 2015 році були значно дорожче у виробництві, ніж автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння, головним чином через виробництва батарей, і були набагато дорожче у дилера.
У доповіді показано, що велика частина екологічних впливів, створюваних ICEV, локалізована для спалювання бензину в двигуні, але процес виробництва BEV «генерує набагато більш широко поширений і руйнує комплекс впливів на навколишнє середовище». Ці ефекти включають використання важких метали у виробництві літієво-іонних акумуляторних батарей в поєднанні з забрудненням, створюваним електромережі США при зарядці. Виробництво акумуляторів грунтується на таких металах, як кобальт і матеріали, такі як графіт, видобутий з «погано регульованих і сильно забруднюють рудників» в Китаї і Африці.
«З огляду на розбіжність у розподілі впливу на навколишнє середовище, можна з упевненістю сказати, що споживач, який хоче керувати BEV над ICEV, змінює вплив власності на навколишнє середовище», - йдеться в звіті. Іншими словами, БВУ зменшують місцеві внески на викиди парникових газів, але вони створюють інший комплекс екологічних проблем в усьому світі, «наслідки яких значною мірою пов'язані з сільськими і часто знедоленими громадами».
контроль згоряння
Які поліпшення для двигуна внутрішнього згоряння? Одним з недавніх прикладів інновацій є прямий впорскування палива.
Пряма ін'єкція відправляє високонапірний бензин в камеру згоряння кожного циліндра двигуна, обіцяючи велику економію палива і менші викиди. Багато виробників працювали над системою в другій половині 20-го століття, але в 2004 році Isuzu стала першою компанією, що пропонує систему в основному транспортному засобі на ринку США. До 2007 року Детройт увійшов в змагання, оскільки Ford представив свою лінію двигунів EcoBoost і General Motors своїм V6 LLT SIDI для Cadillac.
«З 07-го року багато що відбувається, - сказав Сміт. «Промисловість дійсно хороша в тому, щоб щось переробити».
За деякими оцінками, близько половини моделей, що продаються в США в цьому році, мають пряму ін'єкцію.
«Технологія продовжує поліпшуватися разом з нашою здатністю контролювати і управляти процесом спалювання», - погодився Роберт М. Вагнер, директор Національного дослідницького центру транспорту в Національній лабораторії Ок-Рідж в Теннессі.
Наступним кроком в управлінні процесом згоряння може бути двигун SkyActiv-X від Mazda, двигун гомогенного стиснення із запалюванням від стиснення, який дослідники і виробники працювали над тонким налаштуванням протягом багатьох років. Двигун HCCI використовує бензин в основному дизельному двигуні, доповненому свічками запалювання.
Двигуни з іскровим запалюванням є повсюдними. Паливний інжектор розпорошує в циліндр туман бензину, оскільки поршень стискає повітря до однієї десятої від початкового об'єму. Свічка запалювання запалює паливну суміш, подаючи поршень, щоб зробити потужність.
Дизельні двигуни мають коефіцієнт стиснення близько 20: 1, забезпечуючи велику запасені енергію, а дизельне паливо запалюється при більш високих температурах, які забезпечуються цим вищим стисненням. Двигун HCCI намагається поєднувати високий стиск дизельного двигуна з більш швидким бензином для забезпечення більшої потужності.
«Завдання з HCCI завжди полягала в тому, щоб контролювати, коли насправді відбувається займання», - сказав Шон мідл-Молер, ад'юнкт-професор практики в механічному і аерокосмічному факультеті штату Огайо в Колумбусі.
Мазда каже, що вона вирішила цю проблему. Двигун SkyActiv-X компанії використовує свічку запалювання в кожному циліндрі, щоб почати процес і контролювати згоряння, головним чином під час запуску, коли двигун холодний. Це не схоже на звичайні свічки розжарювання, які використовуються при запуску холодних дизельних двигунів. Mazda називає його іскробезпечним запалюванням від стиснення.
Компанія стверджує, що її двигун на 10-20% ефективніше своїх нинішніх моделей.
«Ми вважаємо, що для нас важливо забезпечити ідеальний двигун внутрішнього згоряння», - сказав глава R & D Mazda Кіеші Фудзівара, оголосивши новий двигун, який буде встановлений в 2019 році. «Електрифікація необхідна, але двигун внутрішнього згоряння повинен бути першим».
Nissan вводить ще одну технологію, яка просочується на дослідні пальника, двигун зі змінним стисненням з турбонагнітачем.
Зміна коефіцієнта стиснення двигуна - давня мета автовиробників, а двигун Nissan - результат двох десятиліть досліджень і понад 300 патентів. Nissan каже, що VCT може динамічно змінюватись від 8: 1 для високої продуктивності до 14: 1 для ефективності.
Спочатку двигун VC-T об'ємом 2,0 літра з чотирма циліндрами буде пропонуватися на кросовері Infiniti QX 50 2018 року, але очікується, що він буде доданий у всій лінійці. Двигун обіцяє 27-процентний приріст в економії палива над 3,5-літровим двигуном V-6 компанії. Згідно Nissan, «складна логіка управління двигуном автоматично застосовує оптимальне співвідношення, в залежності від того, що вимагає водіння».
Ключем до двигуна є багатожильний шток поршня. Сполучні стрижні з'єднані в картер і забезпечують комп'ютерне управління співвідношенням кожного поршня. Виробники експериментували зі складовими стрижнями, але проблеми довговічності досі перешкоджали їх використання.
Компанія стверджує, що вона може переміщатися між рівнями стиснення протягом 1,5 секунд.
Двигун також працює по циклу Аткінсона час від часу, що є відмінним компаньйоном для гібридної системи.
«Це не складно реалізувати», - сказав Пол Майлс, менеджер відділу спалювання двигунів в дослідницькому центрі Sandia's Combustion Research Center.
Цикл Аткінсона існує вже з 19-го століття, але його використання в автомобільних двигунах обмежена. Незважаючи на економічність палива, він не забезпечує достатню потужність для прискорення, необхідного для проходження.
Цю проблему можна вирішити, включивши двигун Atkinson в гібридно-електричну трансмісію. У той час як Atkinson забезпечує потужність для стандартної крейсерській швидкості, електродвигун може зайняти слабину, коли потрібно більше енергії.
Toyota застосувала інший підхід, коли представила новий двигун в своєму пікапі Tacoma 2016 року. Замість того, щоб додавати електричний імпульс, коли потрібно більше енергії, Toyota змінює цикл самого двигуна у міру необхідності. Двигун працює на звичайному двигуні Отто, щоб забезпечити м'язи для буксирування, але коли повна потужність не потрібна, наприклад, коли вантажівка підтримує постійну швидкість, фаза клапана змінюється на цикл Аткінсона, щоб заощадити паливо. Перемикач є безшовним і невиявний драйвером.
Двигун також включає в себе два способи подачі палива в двигун, безпосереднє уприскування і уприскування в порт і використовує один або обидва в міру необхідності для кожного рівня споживаної потужності.
Двигун являє собою гібрид, але гібрид Отто-Аткінсона, а не газо-електричний.
«Двигун Toyota унікальний, - сказав Майлз. «Він розрахований на гібрид і на 15 відсотків краще, ніж звичайний двигун».
«Тепер ви можете багато чого зробити через більшу обчислювальної потужності комп'ютера», - зазначив Сміт, додавши, що здатність поліпшувати деталі машин і управляти спалюванням двигунів є ключем до вдосконалень ICE. «Ви можете зрозуміти, що відбувається в циліндрі і налаштувати« на льоту ». Це дає вам чітке уявлення про те, що ви можете і чого не можете зробити ».
підвищення потужності
В останні роки автовиробники ввели інші трюки. Передачі тепер мають від восьми до десяти швидкостей, які підтримують роботу двигуна з високою ефективністю, а електронні пускачі можуть легко відключати двигун протягом коротких періодів, коли зупиняються замість холостого ходу, знову запускаючи двигун, коли водій видаляє гальма.
Один популярний прогрес включає в себе турбокомпресори і нагнітачі, які можуть підвищити чотирициліндрові двигуни, щоб забезпечити потужність, як більший двигун, при цьому економія палива менше. Але дослідники вважають, що ця здатність компенсувати знижені двигуни за допомогою турбонаддува, можливо, досягла своїх меж.
«Тенденція до скорочення може тривати, але я не думаю, що ви можете стати набагато менше», - сказав Майлз.
Деякі групи прагнуть поліпшити роботу невеликих двигунів, змінивши електричну систему всього автомобіля.
Традиційно більшість автомобілів працюють на електричній системі 12 В, яка управляє системами охолодження, освітлення, а також інформаційно-розважальними системами. Однак на деяких автомобілях високого класу і позашляховиках ця система з 12 В доповнюється більш надійним 48 В, який може харчуватися не тільки електронікою і АС, а й пусковими двигунами і турбонагнітачами. Це дозволяє використовувати більш дрібні двигуни для кращої економії палива, не створюючи перешкод для роботи.
Наприклад, чотирициліндрові двигуни, створювані турбокомпресором, тепер забезпечують роботу стандартного двигуна V-6. Тим не менш, є деяке відставання, коли турбонаддув прискорює RPM, коли водій натискає на прискорювач, щоб пройти або потрібен вибух швидкості. Електричний турбонагнетатель, що працює від електричної системи 48 В, зменшить це відставання.
«Наступним логічним кроком є технологія з 48 вольт», - сказав Сміт.
Об'єднання чотирициліндрового двигуна з турбонаддувом з системою 48 В ефективно виробляє гнучку гібридну трансмісію, яка підвищує паливну економічність на 15-20% - приблизно на одну третину вартість традиційного гібрида.
«Ви побачите це в розкішних автомобілях, - додав Сміт. «Volvo, очевидно, в цей момент». Volvo, що належить китайській Geely Holding Group, оголосила про перехід на електричні та гібридні транспортні засоби і більше не буде випускати автомобілі з бензиновим двигуном тільки після 2019 року.
«У США, - продовжив Сміт, - це буде цікаво. Позашляховики будуть цікаві. У невеликих машинах це, ймовірно, не має великого сенсу, за винятком, може бути, стандартів викидів, які повинні бути в 2023 році. Споживач просто не заплатить ».
Цей розкид цін і небажання американського покупця платити за нього можуть затримати двигуни внутрішнього згоряння на дорозі в США довгий час після того, як вони зникли з демонстраційних залів по всьому світу. Крім нішевих додатків і розкішних автомобілів, таких як пропозиції Tesla Motors, електромобілі з батареями просто не зможуть конкурувати з двигуном внутрішнього згоряння самостійно або в газоелектричних силових агрегатах.
«Я думаю, що переважна більшість флоту буде використовувати двигун внутрішнього згоряння з [нової] електричної технологією», - передбачив груд. «Він повинен співіснувати протягом як мінімум трьох десятиліть». ME