Перспективный адиабатный, комбинированный двигатель внутреннего сгорания

Перспективный адиабатный, комбинированный двигатель внутреннего сгорания

(рекламно-аналитическая записка)

   Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) самый массовый вид тепловых двигателей. Их суммарная мощность превышает мощность всех электростанций мира. Эти двигатели потребляют 50% добываемого жидкого топлива. Двигатели являются металлоемкими изделиями: на долю композиционных материалов и пластмасс приходится лишь несколько процентов их массы. Есть альтернативные виды топлива: природный газ, метиловый спирт, водород и т.д. Однако использование любого из них ухудшает эксплуатацию и экономические показатели автомобиля. Что же касается альтернативных двигателей, то создание электромобилей (с применением электрохимических генераторов и т.д.) пока не вышло из стадии экспериментов и опытных образцов.

  Двигатель (ДВС) ХХI-го века должен иметь высокую экономичность, достигнутую в рамках существующих концепций. Можно выделить 2 пути повышения экономичности транспортных средств:

1 – совершенствование самого двигателя;

2 – улучшение его согласованности с другими системами за счет  использования современных средств автоматизации – микропроцессоров и датчиков, следящих за скоростью движения, частотой вращения коленчатого вала, моментом детонации, составом отработанных газов, интенсивностью вихревого движения воздуха во впускной системе, атмосферными условиями и т.д.

   В этой обзорно – аналитической записке рассмотрен 1-й путь.

   КПД ДВС равен 30-40%. Основные потери:

1 – низкотемпературные потери (тепло) – излучение, унос теплоты системой охлаждения;

2- высокотемпературные потери – отработавшие газы (700 – 1100оС).

  В адиабатных двигателях (или в двигателях с ограниченным отводом тепла) первая составляющая потерь должна исчезнуть, так как керамические цилиндры, поршни, головки не нуждаются в системе охлаждения.

  Применение в двигателестроении высокотемпературной керамики (ZrО2,  SiC, Si3N4 и др.) дает возможность поднять температуру газов в рабочем цилиндре, а отказ от системы охлаждения позволит также устранить потери мощности на привод водяного насоса и вентилятора. Уменьшится масса двигателя (существенно), упростится его эксплуатация, сократится потребление дефицитных материалов, уменьшится выброс углеводородов, окислов NO2 и CO. Однако температура отработанных газов возрастет и КПД увеличится незначительно (единицы процентов). Поэтому, наряду с высокотемпературной керамикой целесообразно использовать комбинированные схемы утилизации теплоты отработавших газов, что приведет к значительному росту КПД (десятки процентов).

  Энергия выхлопных газов в таких схемах используется двояко: для увеличения мощности двигателя за счет подачи в него воздуха под давлением и для прямого получения дополнительной механической мощности. Первую решает турбокомпрессор, вторую – силовая турбина. Это так называемая турбокомпаудная схема комбинированного  двигателя.

  Дальнейшим развитием этой схемы является наличие в двигателе утилизационного контура (парогенератор – паровая турбина – конденсатор). Контур работает за счет теплоты выхлопных газов. Низкая температура конденсирующего пара позволит резко увеличить долю утилизируемого тепла. Мощность паровой турбины передается на вал двигателя с помощью гидропередачи – насоса и гидромотора. Для передачи дополнительной механической мощности на вал вместо паровой турбины можно использовать паровую машину.

  Эффективность паросилового контура для экономии топлива и повышения КПД не вызывает сомнений. Что же касается суммарного экономического эффекта, то он будет наибольшим если:

1 – будут расти цены на нефть;

2 —  будут ужесточены экологические нормы;

3 – цена машиностроительной керамики сравняется с ценой легированных сталей.