ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТРАКТОРНЫХ И АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Современная тенденция развития тракторных и автомобильных двигателей характеризуется увеличением их агрегатной и удельной (литровой и поршневой) мощности, снижением расхода топлива и масла, уменьшением металлоемкости и токсичности отработавших газов, повышением их надежности и улучшением эксплуатационных качеств.

Улучшение удельных показателей у современных двигателей достигается за счет совершенствования процесса сгорания, применения усовершенствованных турбокомпрессоров с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, улучшения теплового режима работы двигателя.

Совершенствование процесса сгорания в двигателях напрямую связано с оптимизацией геометрических параметров камер сгорания, положения свечи зажигания, уровня и способа организации турбули- зации заряда. Для легковых автомобилей широкое распространение получают бензиновые двигатели с уменьшенным рабочим объемом и относительно пониженной степенью сжатия, оборудованные системой турбонаддува. Это обеспечивает при той же или повышенной мощности при полной нагрузке снижение расхода топлива по сравнению с безнаддувным двигателем большего рабочего объема.

Сегодня подавляющее большинство автомобилей оснащено двигателями с электронным управлением впрыском бензина. Специалисты фирмы Bosch (Германия), которая играет ведущую роль в разработке электронных систем управления двигателем, считают, что будущее за синхронизированной системой впрыска, обеспечивающей топливом непосредственно каждый цилиндр в точно установленное время.

В целях повышения коэффициента наполнения, а следовательно, и мощности двигателя они оснащаются трех-, четырех- и даже пятиклапанными головками цилиндров. Конструкторы стремятся разместить клапанный механизм так, чтобы обеспечить центральное расположение свечи зажигания. Привод клапанов осуществляется либо посредством одностороннего рычага, либо гидрокомпенсаторами.

Также двигатели современных автомобилей начинают оснащаться механизмами для регулировки фаз газораспределения и механизмами, регулирующими величину подъема клапана.

В настоящее время наблюдается дизелизация автомобильного транспорта, что связано со значительной топливной экономичностью дизельныхдвигателей (расход топлива в дизеле примерно на 30% ниже, чем у карбюраторного двигателя).

Снижение расхода топлива при эксплуатации тракторов и автомобилей достигается за счет поддержания оптимального температурного режима двигателя (например, автоматическим отключением вентилятора при снижении температуры охлаждающей жидкости обеспечивается снижение расхода топлива до 12%), оптимальных регулировок, в первую очередь системы топливоподачи, параметров работы агрегата турбонаддува.

В отечественном и зарубежном двигателестроении наметилась тенденция уменьшения номинальной частоты вращения двигателей, что обеспечивает снижение механических потерь, расхода топлива и повышение долговечности двигателей. Сокращение тепловых потерь путем применения деталей из керамических и композиционных материалов, а также создание адиабатных (утепленных) двигателей с утилизацией теплоты отработавших газов позволяют существенно улучшить использование теплоты сгорания топлива.

Для снижения уровня шума в современных дизельных двигателях применяются такие методы, как уменьшение жесткости процесса сгорания, совершенствование топливной аппаратуры. Для снижения уровня шума на холостом ходу используют свечи накаливания и дросселирование на выпускном тракте. Положительно сказывается на снижении уровня шума повышение жесткости блока и уменьшение зазора между поршнем и гильзой цилиндров, что достигается установкой в поршне терморегулирующих вставок, стабилизирующих расширение поршня при нагреве.

В настоящее время очень актуальным вопросом является улучшение экологических показателей двигателей. Работы по снижению токсичности отработавших газов идут в различных направлениях. Это совершенствование рабочего процесса, которое в значительной степени связано с совершенствованием камер сгорания, методов распыления и распределения топлива; совершенствование дизельной топливной аппаратуры, в частности применение электронных систем управления двигателем; применение фильтров — уловителей твердых частиц, систем рециркуляции отработавших газов, окислительных нейтрализаторов. Положительно сказывается на снижении содержания окиси углерода, окислов азота и углеводородов в отработавших газах применение турбонаддува.

Давление впрыска топлива в современных дизелях достигает 180— 200 МПа. Это стало возможным благодаря оснащению дизелей насос- форсунками и применению системы топливоподачи Common Rail.

В дизелях на токсичность отработавших газов особенно сильно влияет способ смесеобразования и сгорания. Дизели с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные, предкамерные) имеют в 10—12 раз меньший удельный выброс углеводородов, в 4 раза меньший выброс окиси углерода и в 2 раза меньший выброс окислов азота по сравнению с однокамерными дизелями, но при этом ухудшается их топливная экономичность. При интенсификации процесса сгорания возрастает концентрация окислов азота в отработавших газах, но улучшается топливная экономичность.

Положительный эффект по снижению токсичности дизельных двигателей достигается при реализации в них новых способов смесеобразования. К таким способам относятся: организация вращательного движения воздушного заряда в камере сгорания, расположенной в поршне; применение предкамеры с изменяющейся геометрией сопла и др.

К эффективным способам снижения окислов азота относится рециркуляция отработавших газов путем их частичного перепуска из системы выпуска во впускной трубопровод. При этом снижается максимальная температура цикла и концентрация кислорода в заряде, что и способствует уменьшению окислов азота в отработавших газах. Аналогичное воздействие на снижение окислов азота дает впрыск воды во впускной трубопровод или в цилиндр дизеля.

Наиболее радикальным способом уменьшения токсичности отработавших газов является нейтрализация (обезвреживание) газов в системе выпуска. При этом термическая нейтрализация заключается в окислении при высоких температурах окислов углерода и углеводородов; при невысоких температурах происходит интенсивное окисление окислов азота. Термические нейтрализаторы, которые выполняются в виде теплоизолированных камер, встраиваются в выпускную систему дизеля. В каталитических нейтрализаторах отработавшие газы проходят через слой катализатора, который ускоряет протекание окислительных или восстановительных реакций. В качестве нейтрализаторов используются такие металлы, как платина, палладий, окислы меди, никеля и др.

Для улучшения смесеобразования и уменьшения токсичных компонентов в отработавших газах в двигателях с принудительным зажиганием применяют подогрев топливовоздушной смеси во впускной системе, послойное смесеобразование, используют двухсекционные системы впуска, форкамерно-факельное зажигание и впрыскивание топлива. Высокий эффект в снижении токсичности отработавших газов дает автоматическая оптимизация состава смеси и угла опережения зажигания в зависимости от режимов работы двигателя. Весьма эффективным способом снижения токсичности двигателей с принудительным зажиганием является их перевод на питание газовым топливом.

В настоящее время в связи с ограниченностью запасов нефти актуальным стал вопрос поиска и применения альтернативных источников энергии.

К природным заменителям нефтяного топлива относятся природный и попутный газы, водород и газовый конденсат. При решении вопроса об использовании альтернативных топлив необходимо учитывать все его особенности по сравнению с традиционным топливом: воспламеняемость, токсичность и дымность при сгорании, склонность к нагарообразованиям на деталях цилиндропоршневой группы и форсунок, стабильность при хранении, пожаробезопасность, степень активности при взаимодействии с металлами, неметаллами и другими топливами, запас хода транспортного средства. Важное значение с точки зрения организации топливоподачи и выбора материалов имеют: удельная теплота сгорания, вязкость, плотность, давление ненасыщенных паров и другие свойства этих топлив.

Применение таких альтернативных топлив, как природный газ, спиртовое топливо, водород, связано с повышением степени сжатия дизеля, так как эти топлива обладают низким цетановым числом и плохой самовоспламеняемостью. Этот недостаток альтернативных топлив можно преодолеть, используя присадки, улучшающие самовоспламенение основного топлива. Возможны также гибридные схемы, когда двигатель работает по дизельному циклу, а воспламенение — от искровой свечи зажигания. Может также применяться двойная система питания; при этом дизельное топливо служит как запальное, а основное (альтернативное) подается в цилиндр двигателя вместе с воздухом или впрыскивается в камеру сгорания с некоторым запаздыванием по отношению к запальному топливу.

Перспективным видом топлива является водород. Его особенность заключается в высокой скорости сгорания, низкой энергии воспламенения и в широких концентрационных пределах сгорания бедных смесей; при этом возможно качественное регулирование мощности двигателя. Однако широкое его применение сдерживается сложностью хранения как на заправочных станциях, так и на транспортных установках. Аккумуляторы с металлогидридом железа для хранения водорода на транспортных установках имеют значительную массу, что обусловливает ограничение его запаса и запаса хода машины. Стоимость водородного топлива намного превышает стоимость дизельного. При получении водорода из угля примерно '/з сырья используется как горючее для его производства.

Ведутся исследования по применения биомассы (растительных масел) в качестве исходного сырья для получения дизельных топлив. Однако добавка растительных масел к дизельному топливу приводит к закоксовываиию распыливающих отверстий распылителей форсунок, интенсификации образования углеродных отложений в верхней части гильз цилиндров и на поршне, пригоранию поршневых колец и, как следствие, увеличению прорыва газов из цилиндров в картер.

Характерное альтернативное топливо — газовое, т.е. природный газ (в основном метан) в сжатом и сжиженном состоянии, пропан, бутан, синтетический газ, получаемый из угля, торфа и возобновляемых источников сырья (городских отходов и биомассы). Специалисты всего мира изучают возможность создания портативного ядерного реактора для синтеза различных топлив. Из воздуха и воды могут быть синтезированы водород, перекись водорода, гидразин и аммиак.

Таким образом, совершенствование конструкции автотракторных двигателей идет по различным направлением. Основными задачами в области совершенствования двигателей являются повышение их топливной экономичности, улучшение экологических показателей их работы, а также обеспечение возможности их эффективной работы на альтернативных видах топлива.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >