Тенденции развития дизельных двигателей

Заключение

Следовательно, подведем следующие итоги по работе в целом.
Необходимые технологии дизелей легковых и грузовых автомобилей для соответствия требований 2015 года известны.
В обеих областях разработки будут проходить эволюционным путем, технологические «скачки» не предвидятся, да и не требуются.
Учитывая большое количество новых технологий, которые необхо-димо будет внедрить в серийное производство, начинать работы по их разработкам нужно уже сегодня.
Как и до сих пор, большую часть работ для достижения целей долж-ны будут везти производители двигателей.
На сегодняшний день ситуация оценивается таким образом, что двигатели для развивающихся стран едва ли будут в корне отличаться по своему технологическому уровню от двигателей для индустриально развитых стран.
Двигатель и система н ...

Содержание

Введение 3
1 Общие сведения о дизельных двигателях 5
2 Будущие требования к дизелям легковых автомобилей 6
3 Особые направления разработок дизелей легковых автомобилей 7
4 Будущие требования к дизелям грузовых автомобилей 12
5 Особенности развития дизелей грузовых автомобилей 15
Заключение 17
Список использованных источников 19

Введение

За последние десять – двадцать лет произошло ускоренное развитие дизельных двигателей как для легковых, так и для грузовых автомобилей. Значительно увеличились мощности, резко снизилась токсичность отработавших газов, главным образом за счет сокращения выбросов NOx и сажи. Было достигнуто значительное снижение шума, расхода топлива, улучшилась надежность, увеличились интервалы технического обслуживания, особенно для двигателей грузовиков. В результате всего этого дизели стали незаменимыми для всех типов транспортных средств и заняли значительную долю рынка силовых агрегатов (в Европе более 50%).
В настоящее время во всем мире ставится вопрос: по какому пути пойдет дальнейшее развитие дизеля под давлением ужесточающегося с каждым годом законодательства по токсичности транспортных средств? Может быть, в сегменте легковых автомобилей дизели исчезнут совсем, как прогнозируют некоторые эксперты? Ведь и бензиновые двигатели не стоят на месте и догоняют своего дизельного конкурента по расходу топлива. А в будущем дизельные моторы будут еще дороже бензиновых: стоимость и без того уже более дорогого дизеля будет возрастать из-за сложных систем очистки отработавших газов. Какие меры необходимы для того, чтобы сделать дизели будущего конкурентоспособными? Как будут выглядеть дизели будущего для легковых и грузовых автомобилей? Для легковых автомобилей доведенный бензиновый мотор с непосредственным впрыском топлива и турбокомпрессором, несомненно, может стать альтернативой дизелю. Для грузовых автомобилей и промышленности это менее вероятно.
Поэтому весьма актуально изучить особенности развития дизельных двигателей на современном этапе.
Цель данной работы заключается в обосновании тенденций развития дизельных двигателей.
В соответствии с поставленной целью необходимо решить ряд задач, таких как:
раскрыть общие сведения о дизельных двигателях;
охарактеризовать будущие требования к дизелям легковых автомобилей;
рассмотреть особые направления разработок двигателей легковых автомобилей;
описать будущие требования к дизелям грузовых автомобилей;
проанализировать особенности развития дизелей грузовых автомобилей;
сделать выводы по работе в целом.
Объектом исследования являются дизельные двигатели, предметом - особенности развития из конструктивных характеристик.

для легковых автомобилей
При этом, с одной стороны, рабочий процесс оптимизируется в классическом смысле для достижения пониженных показателей выбросов NOx (рисунок 4), с другой стороны, производится особый контроль процесса сгорания (рисунок 5).
Рисунок 4. EmIQ Ч асть 1, процесс сгорания
Рисунок 5. EmIQ Часть 2, управление рабочим процессом
В рамках оптимизации рабочего процесса сгорания для достижения требуемого расхода топлива и удельной мощности возможно использование двухступенчатого наддува (рисунок 6) и доводка степени рециркуляции ОГ (в виде «внешней» рециркуляции ОГ — газов низкого давления из выпускного коллектора), рисунок 7.
Рисунок 6. Д вухступенчатый наддув: концепция и эффект
Рисунок 7. Рециркуляция выхлопных газов низкого давления на
дизелях различного назначения
Для контроля оптимизированного процесса сгорания фирмой АВЛ был разработан основанный на физической модели алгоритм контроля CYPRESS™, основанный на давлении рабочей смеси как входном сигнале, схематически изображенный на Рисунке 8.
Рисунок 8. Основанный на давлении рабочей смеси как входном сигнале замкнутый цикл процесса сгорания, AVL CYPRESSTM
Такой подход обеспечивает помимо прочего не только низкий выброс вредных веществ, но и ограничение разброса, возникающего из-за производственных погрешностей, что гарантирует стабильность процесса сгорания в течение длительного периода эксплуатации. Уже долгое время эксплуатируется демонстрационный автомобиль, показывающий осуществимость достижения ожидаемых результатов.
За счет оптимизации различных решений и технологий станет возможным не только удовлетворить все требования мировых законодательств по токсичности, но и одновременно сохранить или даже улучшить показатели расхода топлива, причем не за счет ухудшения важных для потребителя ездовых качеств, «удовольствия» от во ждения и управления автомобилем. Большим препятствием на этом пути является стоимость производства. Вышеописанные решения повлекут за собой дальнейшее повышение стоимости дизеля, хотя по сравнению со стоимостью доработанного бензинового двигателя разница в стоимости может и уменьшиться, так как и для бензиновых двигателей ожидается подорожание.
Становится очевидным, что для того, чтобы в 2015 году надежно выполнялись требования к двигателям серийного производства, необходимо не только одновременно комбинировать многие из этих решений, но и начать работы по их разработке/реализации уже сегодня.
Глава 1. Будущие требования к дизелям грузовых автомобилей
Несмотря на то, что ряд будущих требований к дизелям для грузовых автомобилей аналогичен требованиям к легковым автомобилям, для двигателей грузовых и внедрение компенсирующих решений. На рисунке 9, в отличие от диаграммы для дизелей легковых автомобилей, критерий «удовольствие от вождения» заменен критерием «надежность и долговечность».
Рисунок 9. Требования рынка к дизелям средних и тяжелых грузовиков
Основным направлением разработок будет компенсация ожидаемых ухудшений, которые возникнут вследствие введения ограничений по токсичности. Это означает, что необходимо искать решения, противодействующие: увеличению расхода топлива, ухудшению надежности и долговечности и увеличению стоимости продукта. В этом сегменте потребитель никогда не пойдет ни на какие компромиссы, особенно касающиеся расхода топлива и долговечности.
Учитывая эти условия, мировые ограничения по токсичности являются особым препятствием. На рисунке 10 представлены максимально допустимые значения выбросов сажи и NOx в США, Японии и Европе, которые будут действовать примерно с 2010 года, а также необходимые для их выполнения значения «сырой» эмиссии. За основу этой оценки взято значение эффективности системы очистки отработавших газов, которое возможно при использовании систем, имеющихся на сегодняшний день.
Рисунок 10. Ограничения токсичности ОГ для дизелей грузового транспорта и необходимые для этого «сырые» эмиссии
Становится очевидным, что должны быть достигнуты выбросы сажи около 0,08 г/кВт*ч и NOx — 1,5 г/кВт*ч. Это актуально и для Японии, хотя предельно допустимый выброс NOx там менее строг, чем в США и в Европе (0,7 г/кВт*ч). Причиной этого является специфика работы транспортных средств в Японии, которая редко допускает достижение необходимой температуры отработавших газов для обеспечения работоспособности системы их нейтрализации. Эффективность системы очистки ОГ, достигающая в Японии 65-70%, намного ниже, чем в США и Европе, что в конечном итоге требует соблюдения адекватного уровня «сырой» эмиссии1.
В отличие от легковых автомобилей, процедура сертификационных испытаний дизелей производится на моторном стенде. При этом проводятся как стационарные, так и нестационарные, так называемые транзиентные испытания, при которых двигатель, в отличие от испытаний двигателей легковых автомобилей, долгое время работает в режиме полной нагрузки. Это сильно усложняет задачу, т.к. в режиме полной нагрузки особенно сложно обеспечить и регулировать необходимую степень рециркуляции отработавших газов.
Грузовые автомобили классифицируются на легкие, средние и тяжелые. Обычно в этих трех классах применяются двигатели с рабочим объемом цилиндров примерно 0,8-1,2-2,0 л/цилиндр, к которым, в зависимости от класса, применяются разные требования.
В отношении стоимости двигателя ситуация прямо противоположна, так как легкие грузовые автомобили для доставок товаров к местам назначения особенно дороги в эксплуатации, причем расход топлива здесь не играет большой роли из-за относительно небольших годовых пробегов. Рассматривая будущие технические требования, стоит отдельно отметить такие параметры, как удельная мощность, максимальное давление сгорания, долговечность и интервалы технического обслуживания.
Значения этих параметров заметно возрастают с ростом рабочего объема двигателя. Также представляет интерес распределение общих эксплуатационных расходов, где для тяжелых грузовиков расход топлива составляет одну треть, что и объясняет такое повышенное внимание к этому параметру.
Глава 1. Особенности развития дизелей грузовых автомобилей
Как уже было упомянуто выше, сертификационные испытания дизелей грузовых автомобилей проводятся на моторном стенде. Помимо стационарных испытаний во всех режимах, требуются также и транзиентные испытания, которые отличаются друг от друга в зависимости от страны по типам выбранных нагрузочных режимов. Помимо европейских, японских и американских транзиентных испытаний обсуждается и подготавливается обобщенное, так называемое „World Harmonized Transient Cycle“ испытание — WHTC.
Становится очевидным, что распределение основных режимов нагрузок весьма различно, что делает унификацию моторов почти невозможной. Применение испытания WHTC решило бы эту проблему, но возникают сомнения, произойдет ли его внедрение. Выполнение требований на различных испытательных циклах сложно для каждого отдельного из них, так как нестационарные режимы в эксплуатации все больше и больше являются камнем преткновения.
Особенно сложным является прохождение испытаний, которые проводятся в режимах малых нагрузок и оборотов, как, например, на японском цикле или на цикле WHTC. Проще всего выполняются требования цикла USTC, где преобладают высокие частоты вращения коленчатого вала двигателя.
В течение последних лет на фирме АВЛ были достигнуты выдающиеся результаты на стационарных режимах.
При этом применялись улучшенные и доработанные процессы сгорания, высокие или очень высокие степени рециркуляции отработавших газов и чрезвычайно высокие давления впрыска топлива — до 2500 бар. «Сырые» эмиссии NOx — 1,0 г/кВт*ч и сажи — 0,02 г/кВт*ч были достигнуты при сохранении вполне приемлемого расхода топлива.
Для достижения таких значений «сырых» эмиссий необходимы очень высокие давления впрыска топлива, до 2500 бар. А для реализации удельной мощности более 28 кВт/л на двигателе, выполняющем требования EU6, не обойтись без применения двухступенчатого турбонаддува.
Необходимость в таких высоких давлениях объясняется большой степенью рециркуляции отработавших газов, необходимой также и на режимах полной нагрузки, так как в этом случае для обеспечения необходимого коэффициента избытка воздуха требуются значительно более высокие давления воздуха во впускном коллекторе. Поэтому становится необходимой совершенно новая, очень жесткая и прочная конструкция блока и головки цилиндров, предпочтительно из высокопрочного чугуна (вермикулярный графит), а также «параллельное» расположение впускных каналов.
В свою очередь такая особая конструкция головки цилиндров в совокупности с требованием высокой эффективности работы моторного тормоза делает необходимым расположение валов газораспределения, одного или двух, в головках цилиндров (OHC или DOHC)1.
Таким образом, будущие требования по токсичности могут быть удовлетворены только интенсивными разработками и улучшением работы двигателя на переходных режимах, а прежний, преимущественно стационарный подход к оптимизации поршневого двигателя, устарел.
Заключение
Следовательно, подведем следующие итоги по работе в целом.
Необходимые технологии дизелей легковых и грузовых автомобилей для соответствия требований 2015 года известны.
В обеих областях разработки будут проходить эволюционным путем, технологические «скачки» не предвидятся, да и не требуются.
Учитывая большое количество новых технологий, которые необходимо будет внедрить в серийное производство, начинать работы по их разработкам нужно уже сегодня.
Как и до сих пор, большую часть работ для достижения целей должны будут везти производители двигателей.
На сегодняшний день ситуация оценивается таким образом, что двигатели для развивающихся стран едва ли будут в корне отличаться по своему технологическому уровню от двигателей для индустриально развитых стран.
Двигатель и система нейтрализации токсичности отработавших газов должны рассматриваться как единое целое.